Usus Manusia: Strain Memegang Kunci Kesehatan yang Baik

Setiap hari, miliaran bakteri yang menghuni sistem pencernaan Anda berubah; makanan yang Anda makan, obat-obatan yang Anda minum, dan kuman yang Anda paparkan membuat beberapa bakteri berkembang biak lebih banyak daripada yang lain. Para ilmuwan tahu bahwa keseimbangan mikroba usus yang terus berubah ini terkait dengan kesehatan dan penyakit Anda, tetapi telah berjuang untuk menentukan apa yang membuat satu keseimbangan mikroba lebih baik daripada yang lain.      

Selama dekade terakhir, para ilmuwan umumnya menggambarkan mikrobioma seseorang—kumpulan mikroba yang ditemukan di usus manusia—dengan mengkarakterisasi spesies bakteri apa yang ada, dan dalam jumlah berapa. Sekarang, sekelompok peneliti yang dipimpin oleh Katie Pollard, PhD, di Gladstone Institutes telah menerbitkan dua studi baru yang menyarankan pemantauan strain bakteri — dan bukan hanya spesies — dapat memberikan wawasan yang lebih baik tentang mikrobioma.

Strain bakteri sedikit mirip dengan ras anjing atau varietas tomat—bagian dari spesies yang sama, namun berbeda satu sama lain.

Dalam satu penelitian yang diterbitkan dalam jurnal Nature Biotechnology, lab Pollard bekerja dengan Stephen Nayfach, PhD, seorang ilmuwan peneliti di Institut Genom Bersama Departemen Energi AS, untuk mengembangkan metode komputasi baru untuk menganalisis strain bakteri yang ada dalam sampel mikrobioma. lebih cepat dan lebih terjangkau daripada teknologi yang ada. Pendekatan baru, kata Pollard, akan memungkinkan para peneliti untuk melakukan analisis mikrobioma yang lebih besar dan lebih tepat daripada sebelumnya.

Dalam makalah terpisah yang diterbitkan online di Genome Research, Pollard berkolaborasi dengan laboratorium Benjamin Good, PhD, dan Michael Snyder, PhD, di Stanford University untuk melacak strain bakteri yang ada dalam mikrobioma seseorang pada 19 titik waktu berbeda selama 5 tahun. periode bulan, termasuk sebelum dan sesudah pemberian antibiotik. Mereka menemukan bahwa, dalam beberapa kasus, kelimpahan spesies bakteri tetap konstan antara titik waktu, tetapi strain dalam spesies itu berubah secara dramatis.

Membuat Mikrobioma Berarti

Di dalam usus Anda, bakteri mungkin melakukan lebih dari sekadar mencerna makanan Anda. Memang, penelitian telah menunjukkan bahwa orang dengan penyakit yang beragam seperti penyakit radang usus, asma, autisme, diabetes, dan kanker memiliki bakteri yang berbeda dalam sistem pencernaan mereka dibandingkan dengan orang sehat. Tetapi beberapa perawatan yang menargetkan mikrobioma telah muncul dari pengamatan ini sejauh ini.

Karena setiap bakteri memiliki kode genetiknya sendiri, para ilmuwan mengandalkan pengurutan DNA untuk mengungkap bakteri apa yang menghuni mikrobioma seseorang. Tetapi menganalisis urutan DNA sulit karena ukuran dan kompleksitas data. Meskipun peneliti dapat menggunakan metode yang ada untuk menentukan spesies apa yang ada, ini hanya memberikan sebagian gambaran tentang keragaman dan fungsi mikrobioma. Itu karena strain yang berbeda dalam satu spesies bakteri dapat menyimpan perbedaan genetik yang signifikan, yang seringkali cukup besar untuk menyebabkan perilaku yang berbeda.

Hingga saat ini, mengidentifikasi perbedaan genetik dalam sampel mikrobioma membutuhkan daya komputasi berkinerja tinggi dan penyimpanan cloud—sesuatu yang tidak tersedia di sebagian besar lab. Para peneliti harus membandingkan jutaan fragmen DNA dari genom ribuan bakteri yang ada di mikrobioma ke database dengan urutan setiap mikroorganisme yang diketahui, menggunakan teknik yang dikenal sebagai penyelarasan urutan.

Pollard dan rekan-rekannya tahu bahwa rangkaian genom yang panjang adalah umum di antara banyak spesies atau strain bakteri. Jadi, urutan ini tidak dapat digunakan untuk membantu menentukan strain bakteri tertentu. Terinspirasi oleh pendekatan yang hanya menganalisis wilayah yang paling bervariasi dari genom manusia, tim berangkat untuk menemukan jumlah minimum informasi urutan yang mereka perlukan dari data mikrobioma untuk mengidentifikasi jenis apa yang dikandungnya.

Para peneliti menganalisis lebih dari 100,000 genom yang tersedia untuk umum dan berkualitas tinggi dari sekitar 900 spesies bakteri yang biasa ditemukan di usus manusia. Mereka menemukan 104 juta untaian pendek DNA dalam genom bakteri yang paling sering bervariasi antara strain bakteri. Kemudian, mereka menggunakan informasi ini untuk merancang algoritme baru, yang disebut GenoTyper for Prokariota (GT-Pro), yang mencari data urutan mikrobioma untuk kecocokan yang tepat dengan string kunci yang bertindak sebagai pengidentifikasi untuk strain bakteri. Tidak seperti metode penyelarasan urutan sebelumnya, GT-Pro cocok dengan memori laptop dan tidak memerlukan komputasi kinerja tinggi dan kredit cloud.

Bidang penelitian sebelumnya dibatasi oleh fakta bahwa hanya beberapa laboratorium di seluruh dunia yang memiliki uang atau perangkat keras komputer untuk menganalisis data mikrobioma pada resolusi strain.

Sebelum dan sesudah Antibiotik

Salah satu pertanyaan yang berusaha dijawab oleh para peneliti mikrobioma dalam beberapa tahun terakhir adalah seberapa banyak mikrobioma berubah dalam tubuh seseorang dari waktu ke waktu. Pertanyaan ini telah dijawab pada tingkat spesies; para ilmuwan telah melacak bagaimana komposisi spesies mikrobioma manusia berubah seiring dengan perubahan pola makan, penyakit, atau lingkungan. Tetapi hasilnya gagal menjelaskan bagaimana mikrobioma memperoleh fungsi baru, seperti resistensi antibiotik atau kemampuan untuk menonaktifkan obat kemoterapi, ketika komposisi spesies tetap stabil dari bulan ke bulan.

Pollard dan rekan-rekannya ingin menyelidiki pertanyaan ini pada tingkat yang lebih dalam, dengan menganalisis bagaimana strain bakteri, bukan hanya spesies, berubah dari waktu ke waktu. Mereka menggunakan kembali metode yang dirancang untuk mengurutkan sel manusia tunggal dan menggunakannya untuk membuat kode batang molekul DNA bakteri. Ini memungkinkan kelompok untuk melacak strain bakteri individu dalam satu orang selama studi 5 bulan.

Tim mengurutkan mikrobioma individu yang sehat kira-kira seminggu sekali selama 5 bulan. Selama periode waktu itu, subjek secara mengejutkan didiagnosis menderita penyakit Lyme dan menerima antibiotik selama 2 minggu—dikenal dapat menghilangkan banyak spesies bakteri, termasuk yang hidup di usus manusia.

Dalam beberapa kasus, ini benar—spesies dan galur tertentu mikroba sangat tangguh, hadir dengan genom yang hampir tidak berubah pada awal dan akhir periode 5 bulan. Tetapi dalam kasus lain, galur yang ada setelah antibiotik secara genetik berbeda dari yang ada di awal meskipun kelimpahan spesies tidak berubah. Yang penting, perbedaan ini akan terlewatkan jika tim hanya menganalisis spesies yang ada di setiap sampel mikrobioma.

Meskipun algoritma GT-Pro belum tersedia untuk digunakan dalam penelitian ini, Pollard mengatakan akan membuat penelitian serupa di masa depan menjadi lebih mudah—dan lebih murah—untuk dilakukan.

Memetakan Jalur Baru untuk Studi Mikrobioma

Bakteri dalam tubuh Anda seperti hutan—ekosistem yang hidup dan berubah dengan organisme yang hidup berdampingan dalam keseimbangan yang rapuh. Saat melihat citra satelit dari atas, para ahli ekologi dapat memantau perubahan yang paling mendalam dan drastis pada hutan, tetapi mereka akan kehilangan seluk-beluk yang lebih halus yang membentuk lingkungan.

Demikian pula, mereka yang mempelajari mikrobioma dengan mengamati bagaimana spesies berubah mendapatkan pandangan tingkat tinggi dari jaringan, dan hanya melihat hubungan yang paling jelas dengan kesehatan dan penyakit. Tetapi dengan GT-Pro dan pandangan baru tentang strain mikroba, kata Pollard, hubungan baru akan menjadi jelas.