ابزار جدیدی که رشد میکروبیوم را ثبت و پیگیری می کند

11اکتبر 2019 - طی سالهای گذشته، میکروبیوم انسان به دلیل نقش آن در شکل دادن به سلامت فرد، محبوبیت عظیمی پیدا کرده است. میکروبیوم برای رشد، تغذیه و ایمنی انسان ضروری است. به همین دلیل است که بسیاری از مطالعات بر روی چگونگی بهبود سلامت فرد با هدف قرار دادن یا افزایش میکروبیوم تمرکز نموده اند.

باکتری های موجود در انسان مهاجم نیست بلکه مستعمره نشین های مفیدی هستند که طیف گسترده ای از مزایای سلامتی را به انسان ارائه می دهند. هرگونه تغییر در تعادل گونه های موجود در میکروبیوم با بیماری های خود ایمنی مانند دیابت، آرتریت روماتوئید، مولتیپل اسکلروز، فیبرومیالژیا و دیستروفی عضلانی گره خورده است.

مطالعات بسیاری به بررسی میکروبیوم پرداخته اند، اما یک بخش دشوار از این مطالعات، مشاهده ی چگونگی تغییر فلور در طول زمان در پاسخ به محرکهای مختلف است. در حال حاضر، اکثر دانشمندان میکروبیوم را با استخراج باکتریها از نمونه های مدفوع مطالعه و تعیین توالی می کنند. اما یکی از محدودیت های این نوع از آزمایشات این است که اطلاعات حیاتی در مورد تغییراتی که در میکروبیوم درون روده رخ داده است، از دست می رود. بنابراین دانشمندان تصویری کامل از پویایی(دینامیک) فلور انسانی ندارند.

تیمی از محققان موسسه مهندسی بیولوژیک" Wyss" در دانشگاه هاروارد و محققان دانشکده پزشکی هاروارد(HMS) راهی برای حل این مشکل پیدا کرده اند، آنها توانستند ژنهای باکتریایی را که برای تعیین و ثبت تغییرات رخ داده در جمعیت باکتریایی روده طراحی شده اند، فرموله کنند. آنها ابتدا این ابزار را در مدلهای موش در آزمایشگاه با دقتی در سطح یک سلول منفرد امتحان کردند. این ابزار جدید می تواند راه را برای طراحی ابزاری پیچیده تر و جامع تر بمنظور استفاده در تشخیص و فرمولاسیون درمانهای جدید هموار سازد.

ساعت میکروبیوم

این مطالعه که در مجله Nature Communications منتشر شده است، نشان می دهد که چگونه این الگوریتم جدید می تواند تغییرات رخ داده در جمعیتهای فلور روده را تشخیص داده و ردیابی کند. این سیستم از یک مدار ژن نوسان کننده استفاده می کند، که به عنوانrepressilator شناخته می شود، که نوعی از ساعت ژنتیکی است که برای اندازه گیری و سنجش رشد باکتریها استفاده می شود.

این شامل سه ژن باکتریایی است که سه پروتئین، یعنی پروتئین هایTet Repressor ،lacl  و cl را کدگذاری می کنند. این پروتئین ها بیان یکی از پروتئین های دیگر را مسدود می کنند. در این چرخه، ژنها به یك حلقه ی بازخورد منفی گره خورده یا متصل می شوند، که در آن هنگامی که غلظت یکی از پروتئین های Repressor از حد معمول کمتر می شود، پروتئین مذکور بیان شده و بیان پروتئین سوم را مسدود می کند و چرخه ادامه می یابد.

بنابراین، هنگامی که دانشمندان این ژنها را به باکتریها معرفی می کنند، تعداد چرخه های حلقه ی بازخورد منفی که تکمیل می شود، می تواند به عنوان گزارشی از میزان میتوز یا تعداد تقسیمات سلولی باشد که باکتری ها انجام داده اند، این بیشتر شبیه به یک ساعت یا تایمر عمل می کند.

دکترDavid Riglar  از موسسه ی Wyss و کالج ایمپریال لندن گفت: تصور کنید که اگر دو نفر دو ساعت متفاوت داشته باشند، و دقیقه شمار در ساعت یکی از این دو نفر دو برابر سریعتر از دقیقه شمار ساعت شخص دیگر حرکت کند. اگر هر دو ساعت را بعد از یک ساعت متوقف کنید، زمان یکسانی را نشان نمی دهند، زیرا اندازه گیری زمان آنها بر اساس میزان حرکت عقربه ی دوم(دقیقه شمار) متفاوت بوده است. در مقابل، Repressor ما مانند یک ساعت مچی است که همیشه با همان سرعت حرکت می کند، بنابراین مهم نیست که چند نفر مختلف، یک ساعت را بپوشند، همه آنها یک اندازه گیری سازگار با هم را از زمان ارائه می دهند. این کیفیت به ما این امکان می دهد که رفتار باکتری ها را در روده دقیق تر مطالعه کنیم.

محققان برای ایجاد این تایمر، هریک از این سه پروتئین Repressor را در یک مولکول فلورسنت واردکردند. آنها ابزاری به نام  RINGS یا Repressilator-based Inference of Growth at Single-cell level ، ساختند که یک گردش کاری تصویری است که می تواند پروتئین خاصی را که در نقاط مختلف زمانی در طول رشد باکتری ها بیان می شود، ردیابی یا ثبت کند.

محققان با استفاده از RINGS توانستند تعداد میتوز یا تقسیم سلولی را در بسیاری از گونه های باکتریایی با موفقیت ثبت کنند. این ابزار جدید به حل یک مشکل خاص کمک کرده و در عین حال، بستری را فراهم نموده است که می تواند به مطالعه ی بیشتر میکروبیوم روده کمک نماید. همچنین، می تواند درهای جدیدی را برای ابداع درمان ها و آزمایشات تشخیصی جدید بگشاید که به مهار بیماریهای مختلف مرتبط با عدم تعادل میکروبیوم روده (dysbiosis)، کمک کند.

منبع:

http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-12638-z

https://www.news-medical.net/news/20191011/New-tool-records-and-tracks-microbiome-growth.aspx