המעי האנושי: זנים מחזיקים את המפתח לבריאות טובה

מדי יום, מיליארדי החיידקים המאכלסים את מערכת העיכול שלך משתנים; האוכל שאתה אוכל, התרופות שאתה לוקח וחיידקים שאתה חשוף אליהם גורמים לחיידקים מסוימים לפרוח יותר מאחרים. מדענים יודעים שהאיזון המשתנה הזה של חיידקי מעיים קשור לבריאות ולמחלות שלך, אבל נאבקו לקבוע מה הופך מאזן חיידקי אחד לטוב יותר מאחר.      

במהלך העשור האחרון, מדענים תיארו בדרך כלל את המיקרוביום של האדם - אוסף החיידקים המצויים במעיים האנושיים - על ידי אפיון אילו מינים של חיידקים קיימים, ובאילו כמויות. כעת, קבוצת חוקרים בראשות קייטי פולארד, PhD, במכוני גלדסטון פרסמה שני מחקרים חדשים המצביעים על ניטור זני החיידקים - ולא רק המינים - עשויים לספק תובנות טובות יותר לגבי המיקרוביום.

זני חיידקים דומים מעט לגזעי כלבים או זני עגבניות - חלקים מאותו המין, אך נבדלים זה מזה.

במחקר אחד שפורסם בכתב העת Nature Biotechnology, המעבדה של פולארד עבדה עם סטיבן נייפאך, PhD, מדען מחקר במכון הגנום המשותף של משרד האנרגיה האמריקאי, כדי לפתח שיטה חישובית חדשה לניתוח זני החיידקים הקיימים בדגימת מיקרוביום הרבה מהר יותר ובמחיר סביר יותר מאשר טכנולוגיות קיימות. הגישה החדשה, אומר פולארד, תאפשר לחוקרים לבצע ניתוחים גדולים ומדויקים יותר של המיקרוביום מאי פעם.

במאמר נפרד שפורסם באינטרנט ב-Genome Research, פולארד שיתף פעולה עם המעבדות של בנג'מין גוד, PhD, ומייקל סניידר, PhD, באוניברסיטת סטנפורד כדי לעקוב אחר זני החיידקים הקיימים במיקרוביום של אדם אחד ב-19 נקודות זמן שונות במשך 5- תקופה של חודש, כולל לפני ואחרי קורס של אנטיביוטיקה. הם גילו שבמקרים מסוימים, השפע של זן של חיידקים נשאר קבוע בין נקודות הזמן, אבל הזנים בתוך המין הזה השתנו באופן דרמטי.

הפיכת מיקרוביום למשמעותי

בתוך המעיים שלך, חיידקים כנראה עושים יותר מאשר רק לעכל את האוכל שלך. ואכן, מחקרים הראו שלאנשים עם מחלות מגוונות כמו מחלות מעי דלקתיות, אסטמה, אוטיזם, סוכרת וסרטן יש חיידקים שונים במערכת העיכול שלהם בהשוואה לאנשים בריאים. אך מעט טיפולים המכוונים למיקרוביום עלו מהתצפיות הללו עד כה.

מכיוון שלכל חיידק יש קוד גנטי משלו, מדענים מסתמכים על רצף DNA כדי לחשוף אילו חיידקים מאכלסים את המיקרוביום של כל אדם נתון. אבל ניתוח רצפי ה-DNA קשה בגלל גודל ומורכבות הנתונים. למרות שחוקרים יכולים להשתמש בשיטות קיימות כדי לקבוע אילו מינים קיימים, אלו מספקות רק חלק מהתמונה של המגוון והתפקוד של המיקרוביום. הסיבה לכך היא שהזנים השונים במין חיידק בודד יכולים להכיל הבדלים גנטיים משמעותיים, שלעתים קרובות הם גדולים מספיק כדי לגרום להתנהגויות שונות.

עד כה, זיהוי הבדלים גנטיים בדגימת מיקרוביום דרש כוח מחשוב ואחסון בענן בעל ביצועים גבוהים - דבר שלא זמין לרוב המעבדות. החוקרים נאלצו להשוות מיליוני שברי DNA מהגנום של אלפי חיידקים הנמצאים במיקרוביום למסד נתונים עם הרצפים של כל מיקרואורגניזם ידוע, באמצעות טכניקה המכונה יישור רצף.

פולארד ועמיתיה ידעו שקטעים ארוכים של רצפי גנום נפוצים בקרב מינים או זנים רבים של חיידקים. לכן, לא ניתן להשתמש ברצפים האלה כדי לעזור באיתור זן חיידקי ספציפי. בהשראת גישות המנתחות רק את האזורים המשתנים ביותר של הגנום האנושי, הצוות יצא למצוא את הכמות המינימלית של מידע על הרצף שהם יצטרכו לגזור מנתוני המיקרוביום כדי לזהות אילו זנים הוא מכיל.

החוקרים ניתחו למעלה מ-100,000 גנומים זמינים לציבור ואיכותיים מכ-900 מיני חיידקים הנפוצים במעיים האנושיים. הם גילו 104 מיליון מחרוזות קצרות של DNA בגנום החיידקי המשתנים לרוב בין זני חיידקים. לאחר מכן, הם השתמשו במידע הזה כדי לעצב אלגוריתם חדש, המכונה GenoTyper for Prokaryotes (GT-Pro), שמחפש בנתוני רצף המיקרוביום התאמות מדויקות למחרוזות המפתח הפועלות כמזהים עבור זני חיידקים. שלא כמו שיטות יישור רצף קודמות, GT-Pro משתלב בזיכרון של מחשב נייד ואינו דורש מחשוב ביצועים גבוהים וקרדיטים בענן.

תחום המחקר הוגבל בעבר על ידי העובדה שרק למעבדות בודדות ברחבי העולם יש את הכסף או חומרת המחשב לנתח נתוני מיקרוביום ברזולוציה של זנים.

לפני ואחרי אנטיביוטיקה

אחת השאלות שעליהן שואפים חוקרי מיקרוביום לענות בשנים האחרונות היא עד כמה המיקרוביום משתנה בגופו של אדם אחד לאורך זמן. שאלה זו טופלה ברמת המין; מדענים עקבו אחר האופן שבו הרכב המינים של המיקרוביום של אנשים משתנה יחד עם שינויים בתזונה, מחלות או סביבתיים. אבל התוצאות לא הצליחו להסביר כיצד המיקרוביום מקבל פונקציות חדשות, כמו עמידות לאנטיביוטיקה או היכולת להשבית תרופות כימותרפיות, כאשר הרכב המינים נשאר יציב מחודש לחודש.

פולארד ועמיתיה רצו להתעמק בשאלה זו ברמה עמוקה יותר, על ידי ניתוח כיצד זני החיידקים, ולא רק מינים, משתנים עם הזמן. הם השתמשו מחדש בשיטה המיועדת לרישום תאים אנושיים בודדים והשתמשו בה כדי לקוד ברקוד של מולקולות DNA חיידקיות. זה אפשר לקבוצה לעקוב אחר זנים בודדים של חיידקים באדם אחד במהלך מחקר של 5 חודשים.

הצוות רצף את המיקרוביום של אדם בריא בערך פעם בשבוע במשך 5 חודשים. במהלך פרק הזמן הזה, הנבדק אובחן באופן מפתיע עם מחלת ליים וקיבל קורס של שבועיים של אנטיביוטיקה - הידוע כמבטל מינים רבים של חיידקים, כולל אלו שחיים במעיים האנושיים.

במקרים מסוימים, זה היה נכון - מינים מסוימים, וזנים, של חיידקים היו עמידים להפליא, נוכחים עם גנומים כמעט ללא שינוי בתחילת וסיום התקופה של 5 חודשים. אבל במקרים אחרים, הזנים שנכחו לאחר אנטיביוטיקה היו שונים גנטית מאלה בתחילתם למרות ששפע המינים לא השתנה. חשוב לציין, ההבדלים הללו היו מתפספסים אילו הצוות היה מנתח רק את המינים הקיימים בכל דגימת מיקרוביום.

למרות שאלגוריתם GT-Pro עדיין לא היה זמין לשימוש במחקר זה, פולארד אומר שזה יהפוך מחקרים דומים בעתיד להרבה יותר קל - וזול יותר - לביצוע.

התוויית דרך חדשה למחקרי מיקרוביום

החיידקים בגופכם הם כמו ג'ונגל - מערכת אקולוגית חיה ומשתנה עם אורגניזמים המתקיימים במקביל באיזון עדין. כאשר מסתכלים על תמונות לוויין מלמעלה, אקולוגים יכולים לעקוב אחר השינויים העמוקים והדרסטיים ביותר בג'ונגל, אבל הם יחמיצו את המורכבויות העדינות יותר שמעצבות את הסביבה.

באופן דומה, אלו החוקרים את המיקרוביום על ידי צפייה בשינוי המינים קיבלו מבט ברמה גבוהה על הרשת, וראו רק את הקשרים הברורים ביותר לבריאות ולמחלות. אבל עם GT-Pro ותפיסה חדשה של זני חיידקים, אומר פולארד, יתגלו קישורים חדשים.