Mikrobiomy se propojují v planetárním měřítku

V nové studii publikované v Cell vědci z Bork Group v EMBL Heidelberg odhalují, že mikrobi žijící v podobných stanovištích napříč geograficky vzdálenými oblastmi jsou si podobnější než ti, kteří jednoduše obývají stejnou geografickou oblast, ale v různých typech stanovišť. Analýzou desítek tisíc metagenomů tým zjistil, že zatímco většina mikrobů se přizpůsobuje konkrétnímu ekosystému, vzácnější podskupině známé jako „generalisté“ se může dařit ve velmi odlišných stanovištích.  V největší studii svého druhu vědci EMBL odhalují, že tento fakt může přispívat ke globálnímu šíření antimikrobiální rezistence.

Zatímco většina mikrobů se přizpůsobuje specifickému ekosystému, malé podskupině zvané „generalisté“ se může dařit napříč různými stanovišti, od odpadních vod po lidské střevo.

Tým zjistil, že generalisté spojují značně nesourodá stanoviště tím, že nesou stejné geny, včetně těch, které propůjčují rezistenci vůči antibiotikům, a předávají je dalším mikrobům prostřednictvím horizontálního přenosu genů. Lidé urychlují šíření těchto mikrobů vytvářením nových spojení mezi prostředími, která by jinak neexistovala.

Někteří mikrobi jsou schopni přecházet z jednoho stanoviště do druhého, interagovat a přenášet své geny na jiné mikroby, čímž vytvářejí to, co tým popisuje jako propojenou celoplanetární síť mikrobiomů.

Holistický (celostní) pohled na mikrobiom

Až dosud byla většina rozsáhlých studií mikrobiomu prováděna na specifickém ekosystémovém základě kvůli technickým a logistickým omezením, která globální analýza představuje. Nedávný vývoj databází, jako je SPIRE (Searchable, Planetary-scale mIcrobiome REsource) učinil celoplanetární studie proveditelnějšími. SPIRE je veřejně dostupná databáze, kterou vytvořili vědci z EMBL se svými mezinárodními partnery. Integruje, zpracovává a popisuje mikrobiální data z různých stanovišť po celém světě. Pomocí 85 604 metagenomických vzorků z databáze SPIRE byli výzkumníci EMBL schopni určit 40 různých typů mikrobiálních stanovišť.

„Spíše než předpokládat, které environmentální faktory utvářejí strukturu mikrobiomu, necháme mikroby, aby nám to řekli sami“, řekl Daniel Podlesny, vědecký pracovník EMBL a první autor článku. „Kvantifikovali jsme podobnost každého mikrobiomu se všemi ostatními v souboru dat a identifikovali jsme 40 shluků kompozičně podobných mikrobiomů, z nichž každý obsahuje stovky až tisíce vzorků z několika nezávislých studií. Pomocí kurátorských kontextových metadat z naší databáze Metalog jsme pak určili, co mají mikrobiomy v klastru společné – například věk hostitele nebo teplotu oceánu.“

Generalistické mikroby jako genetické „mosty“

V závislosti na tom, jak se přizpůsobí svému prostředí, lze klasifikovat mikroby buď jako specialisty, nebo jako generalisty. Jak název napovídá, specialisté se dokážou vyrovnat pouze se specifickými podmínkami prostředí, zatímco generalisté jsou schopni prosperovat v široké škále stanovišť. Jak se generalisté pohybují napříč ekosystémy, laterálně přenášejí své geny na jiné mikroby, se kterými přicházejí do kontaktu, v procesu známém jako horizontální přenos genů. (Horizontální přenos genů je proces, při kterém jeden organismus přijímá genetický materiál (DNA) od jiného, aniž by byl jeho potomkem. Existují tři hlavní mechanismy, jakými může horizontální přenos genů probíhat. Konjugace je přímý přenos DNA mezi dvěma buňkami, často prostřednictvím speciálních struktur zvaných pili. Transformace je vstup volně dostupné DNA z prostředí do buňky, například po rozkladu buněk. Transdukce je přenos DNA pomocí virů, které infikují bakterie (bakteriofágy) a přenášejí genetický materiál mezi nimi. 

Právě prostřednictvím této výměny genetické informace jsou generalisté schopni vytvořit mosty mezi geograficky vzdálenými biotopy. Vzniknou tak mikrobiomy, které by jinak neexistovaly. „Dokonce i nesourodá stanoviště se zásadně odlišnými fyzikálně-chemickými podmínkami jsou propojena obecnými druhy“, řekl Jonas Schiller, Predoctoral Fellow v Bork Group a spoluautor studie.

Některé činnosti řízené lidmi, například likvidace odpadních vod, a antropogenní změny klimatu, urychlují rozptýlení mikrobů tím, že vytvářejí nové a rychlejší cesty pro jejich pohyb. Dalším problémem je nárůst nadměrného a nesprávného používání antibiotik, což vede k tomu, že generalisté vyvíjejí geny pro antimikrobiální rezistenci. (Antimikrobiální rezistence (AMR) je schopnost mikroorganismů přežít nebo se množit v přítomnosti antimikrobiální látky, která jim obvykle brání v růstu nebo je usmrtí. Odhaduje se, že jen v EU umírá každoročně 35 000 lidí v přímém důsledku infekce způsobené bakteriemi rezistentními vůči antibiotikům. Dopad AMR na zdraví je srovnatelný s dopadem kombinace chřipky, tuberkulózy a HIV/AIDS. Podle Světové zdravotnické organizace se jedná se o jednu z největších hrozeb pro celosvětové zdraví. V červenci 2022 Evropská komise a členské země Unie označily antimikrobiální rezistenci za jednu ze tří hlavních zdravotních hrozeb, které vyžadují koordinovaná opatření na úrovni EU s cílem zvýšit připravenost a zlepšit reakci.)

Pohled na planetární zdraví – One Health

Zjištění poskytují podporu pro One Health, rámec, který říká, že zdraví lidí, zdraví zvířat a stav životního prostředí jsou závislé a navzájem se ovlivňují, a proto je musíme řešit společně, ne odděleně. One Health je stručně řečeno způsob, jak přemýšlíme o zdraví lidí, zvířat a životního prostředí jako o jednom propojeném celku. „Naše zjištění ukazují, že takové mikroby hrají důležitou roli při propojování zdraví lidí, zvířat a životního prostředí – fenomén známý jako One Health – zdůrazňující potřebu nahlížet na planetární zdraví jako na čistě lidskou perspektivu“, řekl Chan Yeong Kim, postdoktorand v Bork Group a spoluautor studie.

Ačkoli je tento koncept sám o sobě poměrně nový, myšlenka One Health sahá až do devatenáctého století, kdy Rudolf Virchow, německý lékař a fyziolog, vytvořil termín „zoonóza“, aby popsal, jak mohou infekční nemoci přeskočit ze zvířat na lidi.

One Health je dnes zarámován skupinou skládající se ze Světové zdravotnické organizace (WHO), Organizace pro výživu a zemědělství (FAO), Světové organizace pro zdraví zvířat (WOAH) a Programu OSN pro životní prostředí (UNEP).

Odhalením, že generalisté mohou přenášet své geny na jiné mikroby, když se pohybují mezi prostředím tak odlišným, jako je odpadní voda a lidské střevo, tým EMBL ukazuje, jak moc lidské zdraví závisí na zdraví zvířat a celé planety.

EMBL

Evropská Laboratoř molekulární biologie je laboratoř poskytující vedení a koordinaci biologických věd v celé Evropě, která základním výzkumem světové úrovně hledá interdisciplinární řešení pro některé z největších společenských výzev. Poskytuje školení pro studenty a vědce, řídí vývoj nových technologií a metod v biologických vědách a nabízí nejmodernější výzkumnou infrastrukturu pro širokou škálu experimentálních a datových služeb.

EMBL je mezivládní organizace s 29 členskými státy, jedním přidruženým členem a jedním potenciálním členem. Na šesti místech v Barceloně, Grenoblu, Hamburku, Heidelbergu, Hinxtonu poblíž Cambridge a Římě se snaží lépe porozumět životu v jeho přirozeném kontextu, od molekul po ekosystémy.

Zdroje: Tisková zpráva EMBL a Planetary microbiome structure and generalist-driven gene flow across disparate habitats | bioRxiv