Osobisty mikrobiom w cyfrach

Dostałem niedawno w prezencie takie urządzenie. Choć bardzo lubię marnować czas na technologiczne gadżety, nie chciało mi się jednak zakładać tego na rękę. I tak już wiem, że powinienem więcej biegać, więcej chodzić, więcej stać i unikać siedzenia przed ekranem. Nie potrzebuję szczegółowych danych, by mi o tym przypominały.

Kiedy jednak czytałem dzisiaj pismo „Genome Biology”, uznałem, że któregoś dnia mogę poddać się ruchowi Quantified Self. Po prostu muszę poczekać, aż będę mógł śledzić z dnia na dzień tryliony moich mikrobów.

Dzięki spadającym kosztom sekwencjonowania  DNA, możemy teraz badać tysiące gatunków, które żyją w naszych ciałach. Kilka lat temu dowiedziałem się na przykład, że mam w pępku  58 gatunków. Wiedziałem jednak tylko, że w moim pępku było 58 gatunków w jednym momencie czasowym – w momencie, kiedy przetarłem pępek wacikiem. Wszystko jednak, co wiemy o bakteriach, mówi nam, że nasz wewnętrzny ekosystem potrafi się szybko zmieniać. Mój pępek może być zasadniczo inny dzisiaj niż w chwili, kiedy wkładałem w niego koniuszek wacika.

Eric Alm, biolog z MIT, i doktorant Lawrence David postanowili zgłębić tę zmianę przez śledzenie roku życia ich własnych mikrobiomów. Codziennie brali próbkę własnego kału, a następnie wydobywali z niego DNA, żeby sprawdzić, jakie gatunki bakterii żyją w ich jelitach. David spluwał także codziennie do probówki, żeby porównać, jak zmienia się mikrobiom w jego jelitach w porównaniu do jego jamy ustnej.

Mimo że ich badanie prowadzone było tylko na dwóch osobach, był to jak najbardziej projekt Wielkich Danych. Jednym z głównych wyzwań zaś projektu Wielkich Danych jest wizualizacja wyników w użyteczny sposób. Liczby na bransoletce nie pomogą. Alm, David i ich koledzy zidentyfikowali tysiące gatunków mikrobów. Większość była rzadka, podczas gdy kilkaset składało się na większość drobnoustrojów w ich ciałach. Niektóre gatunki pokazywały się na krótko i znikały; inne przetrwały cały rok.

Tutaj jest jeden sposób patrzenia na ich mikrobiomy. Pokazuje ślinę Davida. Każde pasmo reprezentuje jeden dominujący gatunek (lub operacyjną jednostkę taksonomiczną). Gatunki należące do tej samej linii (typu) mają różne odcienie tego samego koloru.  

Jest to dość stabilne w czasie, ale pokazuje kilka interesujących drgnięć.

A tutaj są jelita Davida. Inny zestaw gatunków, z większymi fluktuacjami w czasie, szczególnie wokół setnego dnia.

Coś się dzieje. Jednym ze sposobów zobaczenia, co się dzieje, jest spojrzenie na mikrobiom w inny sposób. Ilustracja poniżej pokazuje zmiany w każdym gatunku, ze spadkami w niebieskim i wzrostach w czerwonym. Jak można zobaczyć, niektóre gatunki stały się rzadkie po mniej więcej jednej trzeciej czasu eksperymentu i powróciły później. Podobnie, inne gatunki rozkwitły w tym czasie, a potem zanikły.

Tak się składa, że w tym czasie David pojechał na kilka tygodni do Bangkoku, gdzie miał dwa ataki biegunki.  (Miał ze sobą mini-lodówkę, gdzie mógł przechowywać próbki).

Jest podobna historia z jego ust – chociaż chodzi o inne gatunki, które są zaadaptowane do warunków w jamie ustnej.

A tutaj jest Alm (nie udało mu się przebrnąć przez cały rok). Pierwszą rzeczą, jaka zauważycie, jest, że Alm i David różnią się mikrobiomami. Przez cały czas eksperymentu stanowili siedlisko dla różnych rodzajów bakterii.

Zaskakujące zwężenie zachodzi mniej więcej wokół dnia 150. Stoi za tym opowieść. Podczas pechowej wizyty w restauracji Alm zatruł się żywnością – dokładnie zaś złapał salmonellę. Potrafił sam postawić diagnozę dzięki prowadzonemu eksperymentowi, choć jego lekarz zapewniał go, że to wirus. Infekcja była tak silna, że jednego dnia  Salmonella stanowiła 29,5% wszystkich fragmentów DNA, jakie odkrył w swoim kale. Na szczęście zatrucie nie było wystarczająco poważne, by wymagać antybiotyków.

Na bardziej szczegółowym wykresie poniżej można zobaczyć, że nawet kiedy Salmonella zniknęła z jego wnętrzności, jego mikrobiom pozostał inny.

Patrzenie na mikrobiomy jako tylko izolowane gatunki, doprowadziło jednak Alma i Davida tylko do pewnego punktu. W rzeczywistości nasze mikroby istnieją jako społeczności. Mogą być zaadaptowane do tego samego poziomu kwaśności i do innych warunków, albo dla przetrwania mogą polegać wzajem na sobie.

Alm, David i ich koledzy znaleźli sposób wizualizacji również społeczności. Zidentyfikowali pięć zgrupowań gatunków, które zmieniały się razem. Tutaj jest wykres zmian, jakim podlegały, z Davidem na górnym wykresie i Almem na dolnym.  

Wygląda na to, że mikrobiom Davida przeszedł z jednego stanu do drugiego podczas tej podróży, a potem przełączył się z powrotem. Mikroby Alma doświadczyły czegoś innego. Jego zatrucie pokarmowe zakłóciło jego mikrobiom, pozwalając innej kombinacji gatunków na dominację. Pchnęło go w inny stan – zdrowy – i teraz już tam pozostaje.

Alm, David i ich koledzy śledzili również wiele innych cech ich życia podczas eksperymentu, od posiłków do nastroju. Poza jednak podróżą Davida do Bangkoku i złym obiadem Alma, nie znaleźli korelacji między przeżyciami a bioróżnorodnością. Jedynym innym, wyróżniającym się czynnikiem było to, że kiedy David jadł żywność bogatą w błonnik, pewne gatunki bakterii rozkwitały w dzień po takim posiłku.

Nie daje się wyciągać szerokich wniosków z eksperymentu na dwóch osobach. I trudno wyobrazić sobie, jak mógłby on zostać znacznie rozszerzony – kto spośród nas jest gotowy zbierać codziennie kał przez cały rok? Być może ktoś wynajdzie “laboratorium w chipie”, które można połknąć i będzie po prostu pływać w jelitach, spokojnie monitorując mikrobiom. Wtedy z przyjemnością prześledzę moje wewnętrzne zoo.

The-quantified microbiome-self

The Loom, 6 sierpnia 2014

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska