Mikrobioom

Mikrobioom on kommensiaalsete, sümbiootiliste ja patogeensete mikroorganismide ökoloogiline kooslus, mille elukeskkond on taimede või loomade peal ja sees. Võib vaadelda putukate, kahepaiksete, lindude, kalade, imetajate jt loomade mikrobioome, kuid kõige rohkem on uuritud sellise imetaja nagu inimese mikrobioomi.
Selle mõiste mõtles välja Joshua Ledeberg, kes tõi välja inimese keha asustavate mikroorganismide tähtsuse inimese tervise tagamisel või haiguste põhjustamisel. Paljudes teadusartikliteks tehakse vahet "mikrobioomil" ja "mikrobiootal/mikroflooral", et kirjeldada esimesel juhul ühes keskkonnanišis elutsevate mikroorganismide genoomide kogumikke ja teisel juhul mikroorganisme keskkonnas üksikult. Algselt olid mikrobioomi ja mikrobioota/mikrofloora tähendused üsna sarnased, kuna oli vähem tehnilisi võimalusi eristada mikroorganisme uuritavates kooslustes.
Ajalugu.
Taimede ja loomade suhted mikroobide maailmaga olid enamasti välja toodud haigusseisundite kontekstis ja vähestes sümbioosi juhtumiuuringutes. Mikrobioomi peetakse "äsja avastatud elundiks", kuna selle olemasolu polnud laialdaselt tunnustatud enne 1990. aastate lõppu ja sel arvatakse olevat märkimisväärne mõju inimese tervisele.
Kaasaegsed DNA testimise meetodid on võimaldanud teadlastel tuvastada suurema osa mikrobioomi mikroobidest, varem polnud see võimalik, kuna suurem osa neist mikroobidest pole laboris kultiveeritavad. Nüüd saab analüüsida üksiku raku genoomi ja geeniekspressiooni ning isegi terveid mikroobide kooslusi uute alade, metagenoomika ja metatranskriptonoomika, raames. Samuti on loodud mahukad andmebaasid, mis võimaldavad informatsiooni kätte saada eri valdkondade teadlastel üle kogu maailma. Vajalikud on ka matemaatilise analüüsi meetodid, mis aitavad keerulisi andmekogumeid mõtestada.
Mikroobid moodustavad olulise osa organismi fenotüübi kujunemisel. Genoomika ja ökoloogia lähenevad teineteisele ning võivad koos aidata mõista molekulaarseid aluseid elukoosluste kohastumistele ja omavahelistele suhetele.
Roll eluslooduse kujunemisel.
Mikrobioome kirjeldatakse ka paljudes teistes keskkondades, kaasa arvatud mulla-, merevee- ja mageveesüsteemides. Arvatakse, et endosümbiootilisus andis algselt võimaluse üherakulistel organismidel areneda keerukamateks organismideks ning mängis hiljem fundamentaalset rolli organismide evolutsiooni suunamisel ja uutesse niššidesse laienemisel.
Inimene.
Mikrobioom inimesel.
Inimese keha sisaldab üle kümne korra rohkem mikroobseid rakke kui inimese enda keharakke, kuid mikrobioom kaalub kõigest ligikaudu 200 grammi. Teadlased on leidnud, et suure osa inimese kehas leiduvast mikroobide populatsioonist moodustavad arhed, mitte bakterid.
Inimese nahk on keha kõige laiaulatuslikum organ, selle funktsioonide hulka kuulub keha kaitsemine patogeenide eest, niiskuse kaotuse vältimine ja kehatemperatuuri reguleerimine. Nahk ökosüsteemina toetab mitmeid mikroobide kooslusi, mis elavad eri niššides. Uuringud, mis iseloomustavad eri nišše asustavat mikrofloorat, aitavad aru saada naha tervise ja haigusseisundi vahelisest tasakaalust.
On leitud, et kaalu suurenemine on seotud toidust kalorite omandamise efektiivsust soodustavate valkude ekspressiooni kasvuga mikroorganismide populatsioonis. Katsete käigus võeti ülekaalulistelt ja kõhnadelt identsetelt kaksikutelt soolestiku mikrofloora koosluse proove ja sekveneerimisel leiti märkimisväärseid erinevusi nende koostises. Kogu populatsiooni järjestused analüüsiti, et teha kindlaks süsivesikute, lipiidide ja aminohapete metabolismis osalevate valkude tasemed. Ülekaalulisus on seostatud mikroflooras hõimkonna tasandil olevate erinevustega ja oluliselt kahanenud bakterite mitmekesisusega.
Mikrobioomi seosed haigustega.
Mikrobioomi kõige olulisem aspekt meditsiinis võib olla selle võimalik mõju sellistele autoimmuunhaigustele nagu diabeet, psoriaas, Crohni tõbi, autoimmuunne uveiit, reumatoidartriit, lihasdüstroofia, polüskleroos, fibromüalgia ja võimalik, et see omab rolli ka mõnda liiki vähktõve kujunemisel. Mõned mikroobid võivad muuta ajus leiduvaid neurotransmittereid, seetõttu võime nende abil saada leevendust skisofreenia, depressiooni, bipolaarse häire ja teiste neurokeemiliste tasakaaluhäirete vastu.
Traditsiooniliselt vaadeldakse immuunsüsteemi organite, kudede, rakkude ja molekulide komplekse kogumikuna, mis koos tegutsedes eemaldavad patogeene. Mikroobid arenevad immuunsüsteemiga kõrvuti ja kontrollivad seda. On teada, et mikroobivabadel loomadel, kes on sündinud ja kasvanud täiesti steriilses keskkonnas, on immuunsüsteem välja arenemata.
Tüüp I diabeet on autoimmuunhaigus, mis on korrelatsioonis paljude soodustavate teguritega. Nendeks teguriteks võivad olla kõrvalekalded soole mikroflooras, lekkiv soole limaskesta barjäär või sisemised erinevused immuunvastuses. Mitmed diabeedi loommudelid näitavad bakterite rolli haiguse avaldumises. Tervete ja autoimmuunhaigusega laste soolestike mikrofloorade koosluste DNA sekveneerimistel on nende mikrobioomide vahel leitud mitmeid erinevusi. Autoimmuunsetel lastel on võrreldes tervete lastega ebastabiilsem soole bioom, märkimisväärselt vähenenud liikide mitmekesisusega, lisaks olid populatsioonis "Firmicutes"'e liigid suurel määral asendunud "Bacteroidetes"'e liikidega.
Mikrobioom teistes loomades ja taimedes.
Kahepaiksed.
Ainult vähesed kahepaiksete liigid saavad kõrvuti eksisteerida haigustekitaja "Batrachochytrium dendrobatidis"'ega, mis on teistele liikidele surmav parasiit. Nende kahepaiksete resistentsus haigustekitajale tundub olevat tänu antimikroobsete nahapeptiidide esinemisele ja sümbiootiliste mikroobide olemasolule. Need mikroobid on peremehele kasulikud, pannes vastu haigustekitajate koloniseerimisele või inhibeerides patogeenide kasvu, olles ise resistentsed antimikroobsete nahapeptiidide kõrgetele kontsentratsioonidele.
Veised.
Veise vatsas on keerukas mikrobioomi, mis muudab taime rakukesta biomassi valkudeks, lühikese ahelaga rasvhapeteks ja gaasideks. Võrdlevad metagenoomilised uuringud andsid üllatavaid tulemusi, mille kohaselt iga üksik härg omas märkimisväärselt erinevat koosluse struktuuri, ennustatud fenotüüpi ja metaboolset potentsiaali. Olulised erinevused olid isegi siis, kui kõik härjad olid ühesuguse toitumisega, elasid koos ja kasutasid ühesuguse efektiivsusega taime rakukestadest saadavaid ressursse.
Aedniksipelgad.
Aedniksipelgad moodustavad tohutuid maa-aluseid kolooniaid, miljonite töölistega, iga koloonia korjab sadu kilogramme lehti igal aastal. Kuna sipelgad ei suuda lehtedes olevat tselluloosi ise seedida, siis on koloonia peamiseks toiduallikaks seente aiad. Seened ise ei seedi tselluloosi, selle asemel vastutab tselluloosi seedimise eest mitmesuguseid baktereid sisaldav mikroobide kooslus. Mikrobioomi eeldatav süsivesikuid lagundavate valkude profiil sarnaneb veise vatsa omaga, samas on kummagi mikrobioomi liigiline koosseis täiesti erinev.
Taimed.
Taimedel on mitmesuguseid suhteid sümbiootiliste mikroorganismidega, nende hulgas parasitism, kus suhe on peremeesorganismile kahjulik, mutualism, kus suhe on mõlemale osapoolele kasulik, ja kommensalism, milles üks osapool saab kasu ja mis teist osapoolt ei mõjuta. Partneritevaheline toitainete vahetus on suhte oluline osa: see võib olla kahesuunaline või ühesuunaline ning kontekstist sõltuv. Toitainetevahetuse strateegiad on väga mitmekesised.
Taimi koloniseerib lai valik bakterite liike, millest paljud on patogeensed. Leidub ka taimede kasvu soodustavaid baktereid, mis annavad peremeestaimele vajalikke teenuseid nagu lämmastikusidumine, mineraalide lahustamine, taimehormoonide süntees, tõhusam mineraalide omastamine ja kaitse haigustekitajate eest.
Uurimisprojektid.
Inimese mikrobioomi projekt.
Inimese mikrobioomi projekt ("Human Microbiome Project", "HMP") on USA riiklike terviseinstituutide algatus. Selle eesmärk on inimeste, nii haigete kui ka tervete, mikroflooras leiduvate mikroorganismide identifitseerimine ja iseloomustamine. 2008. aastal alustatud viieaastane projekt eelarvega 115 miljonit USA dollarit. Lõppeesmärk on testida, kuidas muutused inimese mikrobioomis on seotud inimese tervise või haigusseisundiga.
Maa mikrobioomi projekt.
Maa mikrobioomi projekt ("Earth Microbiome Project", "EMP") on algatus looduslike proovide kogumiseks ja mikroobide koosluse analüüsiks üle kogu maailma. Projekti eesmärk on töödelda üle 200 000 proovi eri bioomidest, luues tervikliku mikroobide andmebaasi, et iseloomustada keskkondi ja ökosüsteeme nende mikroobilise koostise ja suhete kaudu. Neid andmeid kasutades võib välja pakkuda ja tõestada uusi ökoloogilisi ja evolutsioonilisi teooriaid.