Nieuwe reverse genomics methode brengt voorheen verborgen bacteriën tot leven

Vooruitgang in DNA-sequenties heeft bewijs gevonden voor veel nieuwe microben, maar ze zijn moeilijk te vissen uit hun complexe microbiomen en gekweekt in laboratoria.

STEVE GSCHMEISSNER / Wetenschapsbron

Nieuwe reverse genomics methode brengt voorheen verborgen bacteriën tot leven

Door Jon CohenSep. 30, 2019, 11:00 uur

In het afgelopen decennium hebben steeds krachtigere genetische technieken hordes microbieel DNA gevonden in alles, van de menselijke darm tot een schep zeewater. Maar onderzoekers hebben moeite om de meeste microben in het laboratorium te laten groeien vanwege de complexiteit van het nabootsen van hun natuurlijke omgeving. Nu heeft een nieuwe strategie reverse genomics een manier gevonden om sommige van deze heimelijke bacteriën uit vloeistoffen uit de menselijke mond te vissen en ze in het laboratorium te cultiveren Een voorschot dat belooft te verduidelijken hoe gezondheid en ziekte afweren.

Ik vind de studie inspirerend, iets wat we ons in het begin van de jaren tachtig niet eens konden voorstellen, zegt Norman Pace, een microbioloog aan de Universiteit van Colorado in Boulder die niet betrokken was bij het nieuwe werk . Pace heeft baanbrekend onderzoek gedaan met ribosomaal RNA (rRNA) om nieuwe microben in warmwaterbronnen en andere extreme omgevingen te ontdekken. Het nieuwe werk, zegt hij, maakt gebruik van grondig moderne technologie om monsters te krijgen van eerder geïdentificeerde, maar niet-gekweekte soorten.

De vloed van vermeende nieuwe microben komt van DNA-sequentiestudies die een enkele bacterie kunnen isoleren, of, aan de andere kant, naar al het genetische materiaal in een ingesloten omgeving zoals de menselijke mond. Maar het onvermogen van onderzoekers om deze microben te kweken, heeft de inspanningen om hun bestaan ​​te valideren belemmerd en duidelijk gemaakt welke rol zij spelen in hun respectieve microbiomen. Vooral de menselijke darm heeft maar liefst 1000 microbiële soorten; maar sequenties kunnen niet verklaren of ze bijdragen aan de spijsvertering, immuunresponsen, metabolisme van medicijnen of andere processen. Er is slechts zoveel microbiologie die u op de computer kunt doen, zegt Mircea Podar, die evolutionaire microbiële genomica bestudeert aan het Oak Ridge National Laboratory in Tennessee en het nieuwe werk leidde.

Podar en collega's richtten zich op Saccharibacteria, voornamelijk in de mond levende bacteriën waarvan bijna een dozijn soorten bij mensen leven. Maar omdat ze zo'n klein deel van het microbioom van de mond vormen - minder dan 1% - zijn ze moeilijk te isoleren en te groeien.

Het team van Podar gebruikte een op antilichamen gebaseerde strategie om isolaten van Saccharibacteria te verkrijgen waarvan de sequentie was bepaald - maar niet gekweekt - uit een gamish van speeksel en andere mondvloeistoffen. Ze zochten eerst naar genen in verschillende Saccharibacteria-DNA die waarschijnlijk codeerden voor eiwitten die door de oppervlakken van cellen kunnen steken. Het immuunsysteem produceert antilichamen in reactie op de delen van celoppervlakte-eiwitten die het kan 'zien'.

Een vergelijking met andere bacteriën stelde de onderzoekers in staat om specifieke gebieden van de oppervlakte-eiwitten te identificeren die waarschijnlijk de sterkste antilichaamresponsen zouden veroorzaken. Na het injecteren van deze eiwitfragmenten in konijnen, zuiverden ze en fluorescente antilichamen die de dieren maakten. Door de gelabelde antilichamen te mengen met vloeistoffen uit de mond van mensen konden de onderzoekers de relatief zeldzame Saccharibacteria uit de mix van cellen in de monsters plukken. Ze plaatsten deze bacteriën vervolgens in een breed scala van laboratoriummedia - die in wezen bouillons zijn gemaakt van lichaamsorganen, suikers, soja, vitamines en maagsappen - en vonden uiteindelijk brouwsels die hen om onbekende redenen toelieten te groeien.

De onderzoekers schrijven dat hun reverse genomics-techniek "breed toepasbaar moet zijn op alle doelorganismen", laten ze hen isoleren en eerder niet-cultiveerbare micro-organismen kweken, melden ze vandaag in Nature Biotechnology. Podar zegt dat de nieuwe techniek zal leiden tot het testen van voorspellingen en hypothesen die onderzoekers niet alleen met sequenties kunnen doen.

Podar merkt op dat een kritieke wegversperring voor het kweken van veel microben is dat niemand weet welke andere organismen hun groei kunnen remmen of stimuleren. "Als je eenmaal je doelorganismen hebt gescheiden, kun je de omstandigheden verkennen waaronder je microbe kan floreren, " zegt hij, waarbij hij opmerkt dat onderzoekers nu kunnen onderzoeken hoe deze bacteriën omgaan met andere bewoners van hun microbiomen. "Genomics alleen kan dit niet."

Hoewel andere groepen onlangs andere technieken hebben gemeld die nieuwe microben isoleren en laten groeien, beginnend met sequenties, zegt Slava Epstein, een microbioloog aan de Northeastern University in Boston, die gespecialiseerd is in het cultiveren van voorheen niet-cultiveerbare organismen, apart. "Hun aanpak is gericht, en alle anderen vertrouwen op statistieken, " zegt Epstein. “Dat is in principe een nieuwe ontwikkeling. En het werkt. "

Epstein zegt dat hij de techniek graag in zijn eigen laboratorium wil proberen. "Het opent een intellectueel plagende vraag: wat maakt oncultuurproducten oncultuurbaar?" Epstein zegt dat zijn groep een mogelijk antwoord heeft, hoewel hij niet wil ingaan. "Dit kan een handig hulpmiddel zijn om meer soorten mijn theorie te laten bewijzen."