Alla flercelliga organismer – från de enklaste djur- och växtorganismerna till människor – lever i nära förbindelse med en mängd mikroorganismer, det så kallade mikrobiomet, som koloniserar sina vävnader och lever i symbiotiska relationer med värden.
Många vitala funktioner, såsom näringsupptag, reglering av immunsystemet eller neurologiska processer, är resultatet av interaktioner mellan värdorganismen och mikrobiella symbionter. Det funktionella samarbetet mellan värd och mikroorganismer, som forskare kallar en metaorganism, undersöks i detalj vid Kiel University i Collaborative Research Center (CRC) 1182 Origin and Function of Metaorganisms.
Forskare misstänker att mikrobiomet avsevärt kan bidra till miljöanpassningen och konditionen hos en organism som helhet. De ser en anledning till detta i mikroorganismernas snabba anpassningsförmåga, som kan reagera många gånger snabbare på förändrade miljöförhållanden än de vanligtvis långsammare utvecklande värdorganismerna.
Hur mikrobiomets kolonisering och sammansättning fastställs under den individuella utvecklingen av värdorganismen är föremål för aktuell forskning.
Ett team från forskningsgruppen Evolutionary Ecology and Genetics ledd av professor Hinrich Schulenburg vid Zoologiska institutet vid Kiel University, tillsammans med andra forskargrupper från CRC 1182 från olika fakulteter och Max Planck Institute for Evolutionary Biology i Plön, har nu undersökt dynamik i mikrobiomkolonisering.
De fann att mikrobiomet i nematodens värdorganism inte har en slumpmässig sammansättning under en lång period av sin livstid, vilket tyder på att det mikrobiella samhället är resultatet av riktade selektionsprocesser. Studien publiceras i mBio .
Detta antagande stöds av genomanalys av de mikrobiella arterna i maskmikrobiomet. Många gener hittades som är ansvariga för vissa metaboliska funktioner som är viktiga för värdorganismen och som även är relevanta i andra organismer.
Med dessa resultat visar forskarna från Kiel återigen att spolmasken Caenorhabditis elegans är särskilt väl lämpad som en informativ modellorganism för att forska i tarmmikrobiomet.
För att studera utvecklingen av mikrobiomsammansättningen hos C. elegans över tid använde Dr. Agnes Piecyk, en tidigare forskare inom gruppen Evolutionary Ecology and Genetics, som planerade och ledde experimenten, en karakteristisk gemenskap av 43 olika bakteriearter som är finns vanligtvis i nematoden i naturen.
Hon introducerade denna mikrobiella gemenskap i tidigare bakteriefria djur och koloniserade dem på ett odlingsmedium i direkt närhet av maskarna och i separata petriskålar utan någon kontakt med djuren. Forskarna analyserade sedan hur sammansättningen av denna experimentella mikrobiella gemenskap förändrades under olika förhållanden under cirka en vecka vid sex individuella tidpunkter – vilket motsvarar den genomsnittliga livslängden för trådmaskarna.
Under experimentets gång blev det uppenbart att tiden bara spelade en framträdande roll i de värdassocierade mikrobiella samhällena, det vill säga bakterierna som lever i maskarna. "Deras sammansättning förändrades på ett sådant sätt att vissa specifika bakteriearter dök upp oftare", säger Dr. Johannes Zimmermann, även forskare i Evolutionary Ecology and Genetics-arbetsgruppen, som analyserade data.
Till exempel ackumuleras Ochrobactrum- och Enterobacter-bakterier i maskens tarm. "Denna dynamik kan inte på ett övertygande sätt förklaras av stokastiska, det vill säga i princip slumpmässiga, processer. Vi ville därför ta reda på om det kan vara riktade processer involverade i den dynamiska förändringen av maskmikrobiomet över tid", förklarar Zimmermann.
I nästa steg analyserade forskargruppen genomerna för mikroorganismerna i maskmikrobiomet som innehåller all genetisk information från bakteriesamhällena under maskarnas livslängd. Intressant nog fann forskarna några slående likheter mellan värdassocierade mikrobiella samhällen med gener kända från forskning om mänsklig mikrobiom.
"Vi antar att detta inte beror på slumpen utan drivs av specifika interaktioner mellan värd och mikrobiom som påverkar mikrobiomsammansättningen vid vissa punkter i värdens livstid.
"En mycket rimlig förklaring till ackumuleringen av vissa bakteriearter i maskarna jämfört med kontrollgrupperna kan därför vara att värden specifikt väljer ut vissa bakterier och de funktioner som är förknippade med dem, vilket i sin tur är fördelaktigt för värdorganismen", framhåller Zimmermann. .
Denna hypotes stöds ytterligare av det faktum att de gynnsamma mikrobiella funktionerna är universella och går utöver C. elegans, till exempel produktionen av kortkedjiga fettsyror, vitamin B12 eller andra vitala ämnen.
Sammantaget drar forskarna slutsatsen att på grund av dynamiken i mikrobiomets sammansättning under maskens livstid, utvecklade de associerade bakteriearterna vissa konkurrensstrategier och att i synnerhet de arter gynnas som ger värden vissa användbara funktioner. Sammanfattningsvis verkar de koloniserande mikroorganismerna därför vara fördelaktiga för värdorganismen överlag och därmed hjälpa den att anpassa sig till sin miljö.
"Med vårt nya arbete tillhandahåller vi viktiga konceptuella grunder som utökar vår förståelse av mikrobiomets sammansättning och funktion och hur värdorganismen påverkar dess sammansättning", säger Schulenburg.
"Vår studie baserad på det experimentella mikrobiella samhället visar också än en gång att C. elegans ger oss ett värdefullt modellsystem som också är relevant för att förstå grundläggande processer i människans tarmmikrobiomet och deras konsekvenser för hälsa och sjukdom", avslutar Schulenburg.
Mer information: Johannes Zimmermann et al, tarmassocierade funktioner gynnas under mikrobiommontering över en stor del av C. elegans liv, mBio (2024). DOI:10.1128/mbio.00012-24
Journalinformation: mBio
Tillhandahålls av Kiel University
