Mikrobiom jelitowy pod lupą technologii. Polscy i estońscy naukowcy wskazują, gdzie mogą znikać ważne dane

Mikrobiom jelitowy coraz częściej postrzegany jest jako źródło informacji, które w przyszłości może wspierać diagnostykę chorób, monitorowanie oporności na antybiotyki i rozwój medycyny spersonalizowanej. Zanim jednak dane z badań mikroorganizmów trafią do analiz bioinformatycznych, część istotnych informacji może zostać utracona już na wcześniejszym etapie. Na ten problem zwracają uwagę naukowcy z Polski i Estonii, którzy porównali wyniki sekwencjonowania ponad 1300 próbek mikrobiomu jelitowego.

Badanie przeprowadzili specjaliści z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego, Centrum Sano Medycyny Obliczeniowej w Krakowie oraz Uniwersytetu w Tartu w Estonii. Wyniki prac opublikowano w czasopiśmie „mSystems”. Jak podkreślają autorzy, to jedno z największych porównań tego typu przeprowadzonych dotychczas.

Mikrobiom jelitowy jako źródło danych o zdrowiu

Jak poinformował dr hab. Paweł P. Łabaj, prof. UJ, coraz więcej badań wskazuje, że mikrobiom jelitowy, złożony z bilionów bakterii, wirusów i innych mikroorganizmów, nie tylko wspomaga trawienie, lecz także wpływa na funkcjonowanie układu odpornościowego, metabolizm oraz ryzyko wielu chorób.

Jednym z podstawowych narzędzi wykorzystywanych w badaniach składu i funkcji mikrobiomu jest sekwencjonowanie DNA mikroorganizmów obecnych w próbkach pobieranych od uczestników badań. W ostatnich latach liczba takich projektów wyraźnie wzrosła. Powstają biobanki gromadzące próbki biologiczne i dane zdrowotne tysięcy osób, a naukowcy coraz częściej chcą zestawiać ze sobą wyniki pochodzące z różnych laboratoriów, krajów i projektów badawczych.

W tym kontekście kluczowe staje się pytanie, czy dane uzyskane przy użyciu różnych technologii sekwencjonowania można bezpiecznie łączyć i porównywać.

Illumina i MGI dają podobny obraz składu mikrobiomu

Polsko-estoński zespół postanowił sprawdzić, czy dwie popularne platformy sekwencjonowania DNA — Illumina i MGI — dają porównywalne wyniki. W tym celu badacze przeanalizowali 1351 próbek mikrobiomu jelitowego z Estońskiego Biobanku, które wcześniej przebadano za pomocą obu metod.

Wyniki pokazały, że obie technologie dawały bardzo podobny obraz wtedy, gdy celem było ustalenie, jakie mikroorganizmy występują w jelitach. Ponad 92 proc. gatunków wykryto na obu platformach, a miary różnorodności mikrobiologicznej nie wykazały istotnych różnic.

Dla badań taksonomicznych, czyli koncentrujących się na identyfikacji obecnych mikroorganizmów, jest to ważna informacja. Autorzy wskazują, że duże zestawy danych pochodzące z różnych platform mogą potencjalnie być łączone i porównywane w tego typu analizach.

Problem pojawia się przy badaniu funkcji mikroorganizmów

Inaczej wygląda sytuacja, gdy przedmiotem analizy nie jest sam skład gatunkowy mikrobiomu, lecz funkcje biologiczne mikroorganizmów. Chodzi m.in. o obecność określonych ścieżek metabolicznych lub genów związanych z odpornością na antybiotyki.

Na tym poziomie między platformami pojawiły się duże różnice. Co istotne, badacze wskazali, że nie wynikały one z samych urządzeń do sekwencjonowania, lecz ze sposobu przygotowania próbek przed odczytem DNA.

Szczególną uwagę zwrócono na multipleksowanie, czyli jednoczesne sekwencjonowanie wielu próbek podczas jednego przebiegu aparatury. Takie rozwiązanie pozwala ograniczać koszty badań, ale może wpływać na jakość uzyskiwanych danych. W trakcie multipleksowania maleje liczba unikalnych fragmentów DNA przypadających na pojedynczą próbkę. W efekcie część rzadziej występujących genów może nie zostać wykryta.

– Nasze wyniki potwierdzają, że możemy ufać porównaniom taksonomicznym między platformami w dużych kohortach, ale pilnie musimy podnieść poprzeczkę dla badań funkcjonalnych – zaznaczyła pierwsza autorka obu publikacji, dr Kinga Zielińska.

Rzadkie geny mogą mieć duże znaczenie biologiczne

Autorzy podkreślają, że opisany problem nie jest wyłącznie kwestią techniczną. Ma szersze znaczenie dla całego obszaru badań nad mikrobiomem, ponieważ wiele rzadkich genów może mieć istotne znaczenie biologiczne. Dotyczy to m.in. genów związanych z opornością na antybiotyki, a także innych cech ważnych z punktu widzenia zdrowia publicznego.

W miarę jak badania mikrobiomu zbliżają się do zastosowań klinicznych, rośnie znaczenie wiarygodnego rozpoznawania nie tylko tego, jakie drobnoustroje są obecne w próbce, lecz także tego, jakie funkcje pełnią. Autorzy publikacji zwracają uwagę, że ma to znaczenie zarówno dla medycyny spersonalizowanej, jak i dla globalnego nadzoru nad opornością na antybiotyki.

– W miarę jak nauka o mikrobiomie zmierza ku zastosowaniom klinicznym – od medycyny spersonalizowanej po globalny nadzór nad opornością na antybiotyki – kluczowa staje się zdolność do niezawodnego wykrywania tego, co robią drobnoustroje, a nie tylko tego, które drobnoustroje są obecne – podkreślili.

Jakość danych zaczyna się przed analizą

Zdaniem naukowców wyniki badania pokazują, że konieczne jest ponowne przemyślenie sposobu projektowania projektów opartych na sekwencjonowaniu. Gdy celem jest poznanie funkcji pełnionych przez mikroorganizmy, maksymalne obniżanie kosztów nie powinno odbywać się kosztem jakości danych przypadających na każdą próbkę.

Ma to szczególne znaczenie w dużych projektach badawczych i biobankach, w których dane z różnych źródeł mogą być później łączone i analizowane wspólnie. Jeśli pewne informacje zostaną utracone na etapie przygotowania próbek, późniejsza analiza bioinformatyczna może nie być w stanie ich odzyskać.

– Decyzje podejmowane na samym początku procesu sekwencjonowania, na długo przed jakąkolwiek analizą danych, mogą tworzyć martwe punkty, których żaden algorytm nie jest w stanie naprawić – zaznaczył prof. Łabaj.

Zobacz: Bakterie jelitowe a leczenie chorób jelit, zaburzeń metabolicznych i nowotworów

Badania mikrobiomu jelit mogą poprawić diagnostykę wielu chorób

Czym jest mikrobiom jelitowy?
Mikrobiom jelitowy to zbiór mikroorganizmów żyjących w jelitach, w tym bakterii, wirusów i innych drobnoustrojów. Według przywołanych informacji wpływa on nie tylko na trawienie, lecz także na układ odpornościowy, metabolizm i ryzyko wielu chorób.
Co sprawdzali naukowcy z Polski i Estonii?
Badacze porównali wyniki sekwencjonowania 1351 próbek mikrobiomu jelitowego z Estońskiego Biobanku, analizowanych z użyciem dwóch popularnych platform: Illumina i MGI.
Czy platformy Illumina i MGI dały podobne wyniki?
Tak, ale przede wszystkim w analizie składu mikrobiomu. Ponad 92 proc. gatunków wykryto na obu platformach, a miary różnorodności mikrobiologicznej nie wykazały istotnych różnic.
Gdzie pojawiły się największe rozbieżności?
Różnice pojawiły się przy analizie funkcji biologicznych mikroorganizmów, np. ścieżek metabolicznych lub genów związanych z odpornością na antybiotyki.
Czym jest multipleksowanie?
Multipleksowanie to jednoczesne sekwencjonowanie wielu próbek podczas jednego przebiegu aparatury. Pozwala obniżyć koszty badań, ale może zmniejszać liczbę unikalnych fragmentów DNA przypadających na jedną próbkę.
Dlaczego utrata rzadkich genów ma znaczenie?
Rzadkie geny mogą mieć duże znaczenie biologiczne. W przekazanych materiałach wskazano m.in. na geny związane z opornością na antybiotyki oraz inne cechy ważne z punktu widzenia zdrowia publicznego.

Przeszczep mikrobioty jelitowej – kiedy może pomóc w leczeniu?

^{Żródło: Nauka w Polsce}