Ett samarbete mellan ett team av forskare från tre institutioner inklusive Marine Biological Laboratory (MBL) i Woods Hole, Forsyth Institute i Cambridge och Washington University i St. Louis gav en tidig glimt av hur mikrobiella samhällen i tarmen - känd kollektivt som tarmmikrobiomet - är rumsligt organiserade, upptäcker en överraskande grad av blandning mellan olika bakteriemedlemmar.

Studien, som kommer att visas i 13 oktober-numret av The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , är den första som undersöker den tredimensionella strukturen hos en mångfald av tarmmikrober och avslöjar några skarpa skillnader mellan det mikrobiella landskapet i tarmen och de på andra kroppsplatser, som munnen.

"Ingen har sett på ett komplext mikrobiellt samhälle i tarmen på det här sättet tidigare, " sa seniorförfattaren Gary Borisy, en senior forskningsutredare vid Forsyth Institute. "Om vi ​​verkligen vill förstå mikrobiomens roll, det räcker inte att veta exakt vilka mikrober som finns. Vi måste också lära oss vad de gör, vem de pratar med och varför. En del av svaret på det problemet är att ta reda på vem som står bredvid vem och vem som står bredvid vad."

Det är precis vad Borisy och hans kollegor, inklusive första författaren Jessica Mark Welch från Marine Biological Laboratory och kollegor i Gordon-laboratoriet vid Washington University i St. Louis, satte sig för att göra. Forskargruppen introducerade 15 olika bakteriearter i bakteriefria möss, skapa en humaniserad modell av tarmmikrobiomet. Även om det bara är en partiell representation av hela svit av mikrober som vanligtvis finns i människans tarm, detta förenklade mikrobiella samhälle gav en viktig möjlighet att utforska hur mikrober samlas i distinkta stadsdelar.

"Vi använde sonder som lyste upp varje bakterieart med olika färger, så att vi kunde se exakt hur bakterierna var ordnade i förhållande till varandra och i förhållande till landmärken som mat och värdvävnad, " sa Jessica Mark Welch, associerad forskare med Marine Biological Laboratory.

Baserat på tidigare studier av tarmmikrobiomet samt deras egen forskning om den orala mikrobiomet (särskilt placket som bildas på tänderna), forskargruppen förväntade sig att se en betydande mängd struktur.

"På de platser vi hittills har undersökt i munnen, vi ser mycket ordnade mikrobiella samhällen - så mycket att du kan föreställa dig dem som flercelliga organ, som en lever eller en tymuskörtel, " förklarade Borisy. "De är gjorda av bakterieceller, självklart, men det finns många olika celltyper organiserade på ett mycket strukturerat sätt som ett kroppsorgan."

Men det var inte vad de hittade. I tarmen, forskarna observerade en hög grad av blandning bland mikrober - inte en helt homogen blandning, men fortfarande mycket blandad. "Vi liknar det vid en bioreaktor, där saker rörs runt och väl blandas, " tillade Borisy.

Även om denna modell av tarmmikrobiom saknade mycket organiserad struktur, forskarna identifierade några "mikro"-habitat, där bakterieceller tenderar att samlas. Dessa platser inkluderar vävnaden som täcker den inre ytan av tarmen ("epitel"), som vanligtvis är belagd med ett lager av slem. De inkluderar också det centrala utrymmet ("lumen"), där mat såväl som slem samlas in. Medan de mikrobiella populationerna på dessa platser varierade något i deras totala sammansättning - dvs. de relativa proportionerna av de olika bakterierna kan fluktuera - forskarna observerade inga skarpa skillnader, som en bakterieart som uteslutande finns på en plats och inte på en annan.

"Vi tror att värden homogeniserar det mikrobiella samhället, använda muskelsammandragningar för att blanda innehållet i tarmen och trycka upp det mot tarmväggen, och slam och epitelceller från väggen in i lumen, ", tillade Mark Welch. "Det kan vara så att denna blandning är det som möjliggör en stabil relation mellan värden och mikroberna."

Forskarnas förmåga att lösa denna intrikata mikrobiella bild kommer från en experimentell strategi där Borisy och hans kollegor kombinerar sofistikerade teknologier och metoder. Dessa inkluderar kemiska tekniker som gör det möjligt att märka 15 olika mikrober; avancerade bildbehandlingsmetoder som kan upptäcka och lösa dessa etiketter; banbrytande mikroskopi som kan skära genom vävnader optiskt (snarare än fysiskt) för att visualisera komplex, tredimensionella prover; och programvara som underlättar analys och rekonstruktion av hundratals biologiska bilder. Detta innovativa tillvägagångssätt tillämpades först på studier av plackmikrobiomet, publicerad av Borisy och hans kollegor 2016, och på senare tid till tarmmikrobiomet, som beskrivs i deras nya PNAS-studie.

Även om tarmmikrobiomet kan verka frikopplat från de som finns i andra delar av kroppen, det finns viktiga lärdomar som kan dras av att studera dem på ett holistiskt sätt. Det mesta av Forsyth Institutes arbete handlar om den orala mikrobiomet med ett drivande mål att bättre förstå mikrobiella samhällen. Förutom att bättre förstå vad reglerna är för att styra en viss mikrobiom genom att studera en mängd olika platser i kroppen, det är också möjligt att mikrobiella samhällen - även om de är fysiskt åtskilda - kan interagera på sätt som påverkar hälsan.

Borisy betonade att denna typ av mikrobiomforskning är i sin linda. Ändå, det är viktigt för att utveckla en djup förståelse av mikrobiell funktion. "Föreställ dig att du kommer till Boston och någon ger dig en telefonkatalog över alla som bor där. Det är bra - nu har du en lista över vem som är där. Men säg mig, hur mycket har du lärt dig om Boston som stad?"