數(shù)以萬億微小的微生物和細(xì)菌存在于你的腸道中，每個(gè)都有自己的基因組。這些腸道微生物可以對(duì)您的健康產(chǎn)生有益和有害的影響，從保護(hù)您免受炎癥到導(dǎo)致危及生命的感染。為了阻止病原體并促進(jìn)有益微生物的生長，科學(xué)家一直在努力尋找靶向特定微生物基因的方法。

Katherine Pollard博士是這些科學(xué)家之一。她在格拉德斯通研究所的團(tuán)隊(duì)有興趣更好地了解微生物如何在腸道內(nèi)定殖。他們想要找出幫助微生物通過胃的惡劣環(huán)境并在下胃腸道中存活的基因。

“到目前為止，這并非易事，”格拉德斯通數(shù)據(jù)科學(xué)與生物技術(shù)研究所的高級(jí)研究員和主任Pollard解釋道。“腸道中的大多數(shù)微生物都是從相關(guān)物種進(jìn)化而來的，因此它們有許多共同的基因。很難找出真正影響微生物在腸道環(huán)境中存活能力的基因。”

由Pollard實(shí)驗(yàn)室博士后學(xué)者帕特里克·布拉德利領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)期刊“PLOS計(jì)算生物學(xué)”發(fā)表的一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)了一種新方法，用于鑒定可能對(duì)幫助微生物在人體腸道中成功生存的重要基因。

一種舊方法揭示了新的見解

使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法很難研究人體定植的微生物，而不僅僅是因?yàn)樗鼈兊臄?shù)量龐大。鑒于科學(xué)家們?nèi)狈υ趯?shí)驗(yàn)室中種植和研究許多微生物物種的工具，識(shí)別他們的基因是勞動(dòng)和時(shí)間密集型的。

新的計(jì)算方法和DNA測序提供了一種解決方案，可以確定人體腸道中通常存在哪些微生物，以及微生物基因組中的基因。然而，格拉德斯通的研究人員表明，僅僅觀察腸道微生物所共有的基因，而不考慮微生物的共同祖先，可能會(huì)導(dǎo)致許多錯(cuò)誤的發(fā)現(xiàn)。

為了避免類似的陷阱，他們找到了解決這個(gè)問題的新方法。布拉德利應(yīng)用了一種稱為系統(tǒng)發(fā)育線性模型的技術(shù)，該技術(shù)經(jīng)常用于生態(tài)學(xué)，但很少用于基因組學(xué)。

“通過這種方法，我們使用來自進(jìn)化樹的信息來描繪不同物種之間的歷史關(guān)系，”布拉德利解釋說。“我們是第一個(gè)直接將這種方法應(yīng)用于宏基因組數(shù)據(jù)的人，這些數(shù)據(jù)來自人體內(nèi)存在的微生物的集體遺傳物質(zhì)。”

該團(tuán)隊(duì)使用這種方法分析工業(yè)化國家數(shù)百人的公共數(shù)據(jù)。因此，布拉德利和波拉德在腸道中發(fā)現(xiàn)了數(shù)千種不同物種的基因。他們還在微生物中尋找和發(fā)現(xiàn)基因，這些基因在腸道中比在身體的其他部位更普遍，這表明這些基因可能是特定于這種環(huán)境的。研究人員相信，他們發(fā)現(xiàn)的基因可能有助于微生物定殖腸道，例如，通過讓微生物在酸性環(huán)境(如胃)中存活。

此外，科學(xué)家們使用相同的技術(shù)來比較健康與疾病中的腸道微生物。他們發(fā)現(xiàn)與細(xì)菌相關(guān)的基因在克羅恩病患者中比在健康患者中更普遍。

“在克羅恩病中，一些具有抗炎特性的細(xì)菌似乎已經(jīng)耗盡，”布拉德利說。“如果我們能夠確定能夠在克羅恩病患者中特別改善腸道定植的基因，那么我們就可以通過設(shè)計(jì)這些抗炎菌的新版本來幫助治療患者，這些抗炎菌在那種環(huán)境中能夠更好地生存。”

改善腸道健康的第一步

Pollard和Bradley開發(fā)的新計(jì)算方法可以促進(jìn)新療法的開發(fā)，以維持或改善腸道健康。

“如果我們想要針對(duì)個(gè)體微生物基因，我們首先需要了解它們?cè)谀c道定植中所起的作用，”波拉德說，他也是加州大學(xué)舊金山分校的教授和Chan Zuckerberg Biohub研究員。“這可能會(huì)產(chǎn)生設(shè)計(jì)更好的益生菌或防止有害病原體如艱難梭菌侵入腸道的機(jī)會(huì)。”

該方法利用了許多領(lǐng)域的思想，包括生物信息學(xué)，微生物生態(tài)學(xué)和進(jìn)化，生物化學(xué)，生物統(tǒng)計(jì)學(xué)以及人類微生物組的研究。它還可以用于鑒定除人類腸道之外的其他環(huán)境中與微生物相關(guān)的基因。

“我們的研究表明，通過使用解釋微生物之間進(jìn)化關(guān)系的方法，我們可以預(yù)測在特定環(huán)境中可能比標(biāo)準(zhǔn)模型允許的更重要的基因，”Bradley說。“我們希望其他科學(xué)家能夠意識(shí)到，通過使用我們的方法，他們可以從已有的數(shù)據(jù)中獲得更多。”

Pollard和Bradley正在努力開發(fā)一種網(wǎng)絡(luò)工具，允許其他學(xué)者 - 特別是那些可能沒有所需內(nèi)部專業(yè)知識(shí)的濕實(shí)驗(yàn)室生物學(xué)家 - 上傳他們自己的數(shù)據(jù)并使用這種新的計(jì)算技術(shù)來獲得有用的結(jié)果。