חקר המיקרוביום – אנחנו החיידקים שלנו ((We are our bacteria (1), האמנם??

מבוא בע"ח וצמחים אינם גדלים וחיים בסביבה סטרילית אלא נמצאים באינטראקציה בתוכם ובחוץ עם הרבה מאד מיקרואורגניזמים. מזה מספר שנים מתעצמת ומתבררת התובנה, שהרכב המיקרואורגניזמים בתוך האברים (בעיקר במעי של בע"ח ובסביבת השורש בצמחים), משפיע מאד על בריאות ותפקוד המאכסן (ובצמחים גם על האינטראקציה עם הסביבה וצמחים אחרים) ולמעשה אפשר/צריך להסתכל על גוף בע"ח או הצמח כ"סביבה אקולוגית".

נושא המיקרוביום והשלכותיו מעורר התרגשות רבה הן בקהילה המדעית והן בציבור הרחב, והביאה למשל לכותרת הבאה בניו-יורק טיימס (1): "אנחנו = החיידקים שבתוכנו" / “We are our bacteria” . לצד זאת, חוקרים מבקשים להתייחס לנושא בצורה ביקורתית ומצביעים על הצעדים שצריכים להוביל את מחקר המיקרוביום לשלב הבא תוך בחינה מדעית מבוססת (2-4).

בסדרת הפוסטים בנושא חקר המיקרוביום ננסה להסביר את מושגי היסוד בתחום, לסקור את השיטות בהם הוא נחקר, ולהבין כיצד ועד כמה באמת "קהילת המיקרואורגניזמים" מהווה גורם משמעותי לקיומו ותפקודו של המאכסן.

מונחי יסוד

#מיקרוביוטה (#Microbiota) הוא מכלול המיקרואורגניזמים המתקיימים בסביבה מוגדרת (5). הגדרה פונקציונלית יותר היא, אוסף מיקרואורגניזמים החיים בתוך ועל גוף רב-תאי מאכסן ומקיימים יחסים משולבים פונקציונלים עם המאכסן (6). את המונח ניתן למצוא לראשונה במאמר משנת 1927 (!), שדן בהרכב המיקרביוטה באדמה; בקטריה, פטריות, פרוטוזואה וצמחים ירודים (הציטוט מובא ב (6)). החל משנות ה ה-40 של המאה ה-20 ועד שנות ה-60, נעשה שימוש במושג ברפואת השיניים (בד"כ בהקשר פתוגני) ולתאור המיקרואורגניזמים הסימביונטים המפרקים את סיבי הצלולוז בקיבה של מעלי-גרה (6). הראשון להצביע על כך, שמערכת העיכול היא מערכת אקולוגית מתפתחת ושיש חשיבות למיקרואורגניזמים הסימביונטים בתוכה להקניית עמידות בפני מחלות מדבקות למאכסן, היה René Dubosבשנים 1964-5 (6).

מחקר ה #מיקרוביום (#Microbiome) - מכלול בית הגידול, כולל המיקרואורגניזמים, הגנומים (הגנים) שלהם ותנאי הסביבה; או (בהגדרה יותר מוגבלת) אוסף הגנים והגנומים של חברי המיקרוביוטה (5) – התקדם באופן מואץ והורחב לשדות מחקר רבים החל משנות ה-2000. מחקרים הולכים ומתרבים מצביעים על השפעת המיקרוביום על בריאות וחולי בבעלי חיים ובני אדם; במחלות עור (פסרוזיס ואקנה), מעי (קרוהן, סרטן המעי, קוליטיס), תעלת הנרתיק ובית הבליעה (3), בריפוי ורגנרציה של רקמות (7), ואף על תגובות במצבי לחץ ותפקוד קוגניטיבי (8). גם בצמחים הודגם שהרכב המיקרוביום הנמצא באסוציציה לשורשים משפיע על תגובת הצמח למחלות ואף מניעתן ועל עמידות הצמח בתנאי עקה אביוטיים (9-11).

הגורמים שנתנו את הדחיפה הגדולה להאצת מחקר מיקרוביומים הם " #טכנולוגיות_ריצוף_הדור_הבא " (#next_generation_sequencing), קרי היכולת לריצוף גנומים, בתפוקה גבוהה (high throughput) וכלי (4,9) “ #meta_omics ” (כגון metaproteomics ו metabolomics/metabonomics). כלים אלו איפשרו לעקוף את הצורך בבידוד המיקרואורגניזמים (וגידולם בתרבית), שהוא הליך מסובך ואף למעשה בלתי אפשרי לרוב המוחלט של החיידקים, ולמפות ביעילות את הרכב המיקרואורגניזמים בסביבה הנבדקת (4).

שתי טכניקות משמשות לאפיון על בסיס רצף של אוכלוסיות מיקרוביליות שלמות. האחת, זולה יותר ולכן זמינה גם לקבוצות מחקר קטנות יותר, היא ריצוף אמפליקון (Amplicon sequencing). ריצוף כזה מתבסס על קישור סלקטיבי של זוגות פריימרים אוניברסליים (כלומר פריימרים משלימים לרצפים משותפים ליצורים רבים) לאזורים שמורים מאד בגנומים של חברי המיקרוביום, שאותם מעוניינים לבחון, וריצוף תוצרי ה PCR המתקבלים, המקיפים אזורי רצף ייחודיים לטקסון (taxon). רצף המטרה הנפוץ ביותר בשיטה הזו הוא הגן ל 16S rRNA הבקטרילי, אך נעשה שימוש גם בפריימרים לגנים של RNA של היחידה הקטנה של הריבוזום מארכאה ואאוקריוטים, מאזורים שמורים בגנום של פטריות ועוד (4). הטכניקה השנייה לריצוף בתפוקה גבוהה מכונה מטה-גנומיקה (Metagenomics) , שבה עושים פרגמנטציה ולאחר מכן ריצוף (Shotgun sequencing) של מכלול ה DNA של דוגמת המיקרוביום. כך מתקבלים רצפים שמקורם בפאג'ים, וירוסים, חיידקים, ארכאה, פטריות ואאקוריוטים אחרים כולל רצפים שמקורם מה DNA של המאכסן. ריצוף נרחב כזה מאפשר אפיון ברזולוציה מאד גבוהה של הרכב המיקרואורגניזמים במיקרוביוטה הנחקרת. אך בהתאם, ניתוח נתוני-העתק המתקבלים מגדיל מאד את הדרישות והעלויות של העיבוד הביואינפורמטי (4).

· הגדרות קצרות למונחים אלו ועוד מושגי יסוד בתחום ניתן לראות בפוסט "אוצר המילים של חקר המיקרוביום"

References:

1. Brody JE. We Are Our Bacteria. Well. https://well.blogs.nytimes.com/2014/07/14/we-are-our bacteria?mtrref=undefined&gwh=FE2346081A53B71FD77432954AC89E48&gwt=pay&assetType=REGIWALL. Published July 15, 2014. Accessed October 30, 2019.

‌2. Hanage WP. Microbiology: Microbiome science needs a healthy dose of scepticism. Nature. 2014;512(7514):247-248. doi:10.1038/512247a

3. Waldor MK, Tyson G, Borenstein E, et al. Where Next for Microbiome Research? PLOS Biology. 2015;13(1):e1002050. doi:10.1371/journal.pbio.1002050

4. Fricker AM, Podlesny D, Fricke WF. What is new and relevant for sequencing-based microbiome research? A mini-review. Journal of Advanced Research. 2019;19:105-112. doi:10.1016/j.jare.2019.03.006

5. Marchesi JR, Ravel J. The vocabulary of microbiome research: a proposal. Microbiome. 2015;3(1). doi:10.1186/s40168-015-0094-5

6. Baudoin L, Sapinho D, Maddi A, Miotti L. Scientometric analysis of the term “microbiota” in research publications (1999–2017): a second youth of a century-old concept. FEMS Microbiology Letters. 2019;366(12). doi:10.1093/femsle/fnz138

7. Shavandi A, Saeedi P, Gérard P, Jalalvandi E, Cannella D, Bekhit AE. The role of microbiota in tissue repair and regeneration. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. December 2019. doi:10.1002/term.3009

8. Dinan TG, Cryan JF. The Microbiome-Gut-Brain Axis in Health and Disease. Gastroenterology clinics of North America. 2017;46(1):77-89. doi:10.1016/j.gtc.2016.09.007

9. Foo JL, Ling H, Lee YS, Chang MW. Microbiome engineering: Current applications and its future. Biotechnology Journal. 2017;12(3):1600099. doi:10.1002/biot.201600099

10. Kumar A, Verma JP. Does plant-Microbe interaction confer stress tolerance in plants: A review? Microbiological research. 2018;207:41-52. doi:10.1016/j.micres.2017.11.004

11. Orozco-Mosqueda M del C, Rocha-Granados M del C, Glick BR, Santoyo G. Microbiome engineering to improve biocontrol and plant growth-promoting mechanisms. Microbiological Research. 2018;208:25-31. doi:10.1016/j.micres.2018.01.005