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

Katherine Pollard博士是這些科學家之一。她在格拉德斯通研究所的團隊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)科學與生物技術研究所的高級研究員和主任Pollard解釋道。“腸道中的大多數(shù)微生物都是從相關物種進化而來的，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實驗室博士后學者帕特里克·布拉德利領導的科學期刊“PLOS計算生物學”發(fā)表的一項新研究發(fā)現(xiàn)了一種新方法，用于鑒定可能對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)的實驗方法很難研究人體定植的微生物，而不僅僅是因為它們的數(shù)量龐大。鑒于科學家們?nèi)狈υ趯嶒炇抑蟹N植和研究許多微生物物種的工具，識別他們的基因是勞動和時間密集型的。

新的計算方法和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，可能會導致許多錯誤的發(fā)現(xiàn)。

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

“通過這種方法，我們使用來自進化樹的信息來描繪不同物種之間的歷史關系，”布拉德利解釋說。“我們是第一個直接將這種方法應用于宏基因組數(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)。”

該團隊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，科學家們使用相同的技術來比較健康與疾病中的腸道微生物。他們發(fā)現(xiàn)與細菌相關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計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)的新計算方法可以促進新療法的開發(fā)，以維持或改善腸道健康。

“如果我們想要針對個體微生物基因，我們首先需要了解它們在腸道定植中所起的作用，”波拉德說，他也是加州大學舊金山分校的教授和Chan Zuckerberg Biohub研究員。“這可能會產(chǎn)生設計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會。”

該方法利用了許多領域的思想，包括生物信息學，微生物生態(tài)學和進化，生物化學，生物統(tǒng)計學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)境中與微生物相關的基因。

“我們的研究表明，通過使用解釋微生物之間進化關系的方法，我們可以預測在特定環(huán)境中可能比標準模型允許的更重要的基因，”Bradley說。“我們希望其他科學家能夠意識到，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)絡工具，允許其他學者 - 特別是那些可能沒有所需內(nèi)部專業(yè)知識的濕實驗室生物學家 - 上傳他們自己的數(shù)據(jù)并使用這種新的計算技術來獲得有用的結(jié)果。