Предсказать динамику роста бактериальных сообществ поможет... простое секвенирование ДНК

Разработан новый подход к предсказанию темпов роста численности бактерий, основанный на особенностях удвоения их генетического материала. Копирование кольцевого генома начинается с одной точки — ориджина репликации. Оказывается, отношение количества копий фрагментов ДНК рядом с ориждином к количеству копий максимально удаленных от него участков отлично коррелирует с темпами роста бактериальной популяции. Теперь можно предсказывать изменения численности представителей микробиоты человека, имея только одну пробу от донора и секвенатор.

doc photo

Микробиом (или микробиота) — совокупность всех микробов, населяющих организм — влияет на жизнь и здоровье человека. Уже удалось показать связь микробиома со многими патологиями: ожирением, диабетом второго типа, аутоиммунными заболеваниями и даже раком. Активно используемые сейчас методы изучения микробиома позволяют рассматривать его только в «застывшем» виде — оценивать количество бактерий и структуру их популяций в организме в отдельно взятый момент времени. Минус подобных анализов в том, что они не отражают динамичную природу микробиологического сообщества и различий в активности его членов.

Ученые из Израиля и США задались вопросом, можно ли наперед оценить динамику размножения микробов человека, анализируя только последовательности их ДНК [1]. За исключением нескольких видов, генόм большинства бактерий состоит из единственной кольцевой хромосомы, которая реплицируется (удваивается) в двух направлениях, начиная с одной точки. Эта точка называется ориджином репликации. Заканчивается удвоение бактериального генома в терминальной точке (терминаторе). Во время копирования ДНК участки генома, находящиеся позади репликационной вилки, присутствуют в клетке в двух копиях, а те, что перед ней — в одной (рис. 1). Поэтому если исследовать популяцию бактерий целиком, число копий фрагментов ДНК, сближенных с ориджином, будет больше, чем тех, которые находятся вблизи от терминатора. Отношение числа копий участков ДНК рядом с ориджином к числу копий участков рядом с терминатором назвали PTR (peak-to-trough ratio). Это отношение будет тем больше, чем быстрее растет бактериальная популяция. Таким образом, используя PTR, можно количественно оценить скорость роста популяции [1].

Для проверки этого подхода на практике ученые секвенировали ДНК кишечной палочки (Escherichia coli) в разные периоды роста колоний. В том случае, когда большинство клеток культуры не делилось и имело только одну копию генома, все участки ДНК прочитывались равномерно (и соотношение PTR было ≈1:1). Когда же колония находилась в стадии активного роста, некоторые участки — а именно сближенные с ориджином репликации — прочитывались чаще, и значение PTR возрастало (рис. 2). Но можно ли по PTR предсказывать динамику роста популяции? Оказалось, что можно: повышение PTR коррелирует с ростом численности кишечной палочки, опережая его на полчаса*. Ученые проверили другие виды бактерий (Lactobacillus gasseri и Enterococcus faecalis) и обнаружили те же закономерности.

* — Отметим, что польза открытия не в конкретном времени предсказания размножения бактерий. Важно то, что предсказание технически возможно. А значит, возможна количественная оценка динамики роста микробиоты после анализа одной пробы, а не цикла проб. Подход может оказаться полезным для диагностики бактериальных заболеваний человека.

Рисунок 2. Соотношение PTR отражает динамику численности популяции E. coli in vitro. Копирование генома предшествует делению клетки. У активно делящихся бактерий при секвенировании хромосом число прочтений генов вблизи ориджина будет больше, чем тех, что располагаются вдали от него (верхняя панель), а у неделящихся — нет (нижняя панель). В первом случае формируется типичная сиквенс-картина с пиком и впадиной, во втором — геномы читаются равномерно. Рисунок из [1], адаптирован.

 

Но особенно важно было оценить, представляет ли измерение PTR интерес для медицины. Чтобы понять, можно ли с помощью PTR уловить клинически значимые изменения в микробных популяциях при определенных воздействиях, провели эксперимент: растущие бактерии Citrobacter rodentium обработали эритромицином. Этот бактериостатический антибиотик блокирует синтез белков бактериальными рибосомами, микроорганизму становится так плохо, что необходимость в репликации ДНК отпадает. По логике, значение PTR при этом должно снизиться. Контрольных бактерий обработали бактерицидным антибиотиком канамицином или вообще никак на них не воздействовали. Как и ожидалось, эритромицин понизил PTR. Снижение PTR было зарегистрировано через 30 минут после обработки препаратом, при этом бактерии прекратили размножаться только через 60 минут. А когда бактериостатик убрали из среды, значение PTR возросло, предвещая возобновление роста численности микробов (чего не наблюдали в варианте с антибиотиком-убийцей).

Далее авторы перешли к экспериментам на животных. Для опыта использовали мышей, очищенных от собственных микробов с помощью многочисленных антибиотиков. Мышей заразили двумя вариантами C. rodentium — болезнетворным и безопасным. Затем секвенировали ДНК бактерий и сравнили их показатели PTR, которые, как оказалось, отличались. У болезнетворных бактерий в определенный момент развития в организме хозяина соотношение PTR возросло — их скорость роста увеличилась.

Проводили исследования и на людях-волонтерах. Они, например, резко меняли свою диету (переходили на варёный рис), а затем возвращались к привычному питанию. Оказывается, такие радикальные изменения в диете влияют на микробиом, а предсказывать динамику роста бактерий и в этом случае можно по PTR.

В ходе экспериментов обнаружили и другие интересные факты, например:

  • PTR четко отражает то, что динамика роста бактерий зависит от генетики организма хозяина.
  • У человека по PTR можно анализировать суточные колебания численности микробов в кишечнике.
  • В разных частях тела человека бактерии растут с разной скоростью, а новый подход позволяет оценить это количественно.
  • Анализ динамики микробиомов нескольких сотен человек выявил неизвестную ранее достоверную связь численности некоторых бактерий с заболеваниями. Например, рост популяции Bifidobacterium longum ассоциировали с развитием болезни Крона.

В процессе выполнения работы ученым приходилось секвенировать множество бактериальных геномов*. И параллельно с разработкой метода по предсказанию роста микробных популяций они обнаружили 55 ранее не охарактеризованных ориджинов репликации для разных видов бактерий.

* — О современных методах чтения ДНК рассказано в статьях [2, 3], а об инфраструктуре (в том числе отечественной), связанной с познанием человеческого генома — в обзоре «Код жизни: прочесть не значит понять» [4]. — Ред.

Таким образом, в биомедицинском арсенале появился новый тип анализа бактерий человека, который позволяет с высокой точностью количественно оценивать динамику численности их популяций в организме — при разных внешних и внутренних условиях. А для исследования нужна всего одна проба. Новый метод уже применяют в поиске взаимосвязи темпов размножения некоторых микробов и болезней человека.

Литература

  1. Korem T., Zeevi D., Suez J., Weinberger A., Avnit-Sagi T., Pompan-Lotan M. et al. (2015). Growth dynamics of gut microbiota in health and disease inferred from single metagenomic samples. Science. doi: 10.1126/science.aac4812;
  2. биомолекула: «454-секвенирование (высокопроизводительное пиросеквенирование ДНК)»;
  3. биомолекула: «Секвенирование единичных клеток (версия — Metazoa)»;
  4. биомолекула: «Код жизни: прочесть не значит понять».

Частичное перепрограммирование восстанавливает молодую экспрессию генов за счет временного подавления идентичности клеток

 Авторы: Antoine Roux, Chunlian Zhang, Jonathan Paw, José Zavala-Solorio, Twaritha Vijay, Ganesh Kolumam, Cynthia Kenyon, Jacob C. Kimmel     Аннотация   Сообщалось, что временная индукция...

Читать далее

Профилирование эпигенетического возраста в отдельных клетках

 Авторы: Александр Трапп, Чаба Керепеси, Вадим Николаевич Гладышев     Аннотация   Метилирование ДНК определенного набора динуклеотидов CpG стало критическим и точным биомаркером процесса старения. Многовариантные модели машинного обучения, известные как...

Читать далее

Эпигенетические часы показывают омоложение во время эмбриогенеза, с последующим старением

      Краткое содержание   Представление о том, что клетки зародышевой линии не стареют, возникло еще  с 19-го века от идей Августа Вейсманна. Однако...

Читать далее

Мультиомиксное омоложение клеток человека путем кратковременного перепрограммирования в фазе созревания

      Краткое содержание   Старение - это постепенное снижение физической формы организма, которое со временем приводит к дисфункции тканей и заболеваниям. На клеточном...

Читать далее

Универсальный возраст по метилированию ДНК в тканях млекопитающих (препринт)

Новые результаты       Старение часто воспринимается как дегенеративный процесс, вызванный случайным накоплением клеточных повреждений с течением времени. Несмотря на это, возраст можно...

Читать далее

Ограниченное омоложение старых гемопоэтических стволовых клеток в молодой нише костного мозга

      Гемопоэтические стволовые клетки (HSC) с возрастом обнаруживают функциональные изменения, такие как снижение регенеративной способности и миелоидно-зависимая дифференцировка. Ниша HSC, которая...

Читать далее

Разведение плазмы улучшает когнитивные функции и снижает нейровоспаление у старых мышей

      Наше недавнее исследование установило, что факторы молодой крови не являются причиной и не являются необходимостью для системного омоложения тканей млекопитающих...

Читать далее

Пора кончать со старой кровью - Джош Миттельдорф

      2020 год обещает нам, что мы сможем сделать наши тела молодыми без явного восстановления молекулярных повреждений, но лишь просто изменив...

Читать далее

Омоложение тканей трех зародышевых листков путем замены плазмы старой крови солевым раствором альбумина

     Аннотация   Гетерохронный обмен крови омолаживает старые ткани, и большинство исследований о том, как это работает, фокусируется на молодой плазме, ее фракциях...

Читать далее

Обращение возраста: измерение эпигенетического возраста двух разных видов с помощью одних часов

   Аннотация   Известно, что молодая плазма крови оказывает благотворное влияние на различные органы у мышей. Однако не было известно, омолаживает ли молодая...

Читать далее

Прорыв в омоложении

  Если вы избегаете громких заявлений и в течении длительного времени соблюдаете дисциплину недосказывания посреди яркого неонового мира, то возможно вы...

Читать далее

Трансплантация ACE2-мезенхимальных стволовых клеток улучшает результат лечения у пациентов с пневмонией, вызванной COVID-19

Озвучить текст роботом: 

    Краткое содержание   Коронавирус (HCoV-19) вызвал новую вспышку коронавирусной болезни (COVID-19) в Ухане, Китай. Профилактика и реверсия...

Читать далее

Диагностика старения на основе 9 признаков «Hallmarks of Aging»

  “Если вы не можете измерить это, вы не можете улучшить его”, — так сказал Уильям Томсон, великий ирландский физик известный...

Читать далее

Паттерны биомаркеров старения, смертности и вредных мутаций проливают свет на начинающееся старение и причины ранней смертности - Гладышев 2019

Основные моменты Смертность от возрастных заболеваний U-образная с надиром ниже репродуктивного возраста Количественные биомаркеры старения постоянно меняются на протяжении всей жизни Бремя мутаций...

Читать далее

Клеточное старение. Определение пути вперед

Клеточное старение - это состояние клетки, вовлеченное в различные физиологические процессы и широкий спектр возрастных заболеваний. В последнее время быстро растет...

Читать далее

Видео: Суть старения и путь к долголетию - Гладышев В.Н.

Лекторий МГУ: Вадим Николаевич Гладышев, 28 мая 2019 г. 17.00Тема лектория: «Суть старения и путь к долголетию». Профессор Факультета биоинженерии и...

Читать далее

Японцы получили разрешение скрестить эмбрион человека и животного

Ученые давно проводят эксперименты по выведению различных гибридных видов животных. Как правило, это относится к лабораторным животным, опыты над которыми...

Читать далее

Мыши смогли восстановить ампутированные пальцы при помощи двух белков

  Возможно, в будущем люди смогут восстанавливать потерянные конечности — на это, во всяком случае, намекают медицинские эксперименты. Ученым уже известно...

Читать далее

Израильские учёные разработали универсальное лечение против рака

    Небольшая группа израильских учёных считает, что они нашли первое универсальное лечение против рака.  «Мы считаем, что через год мы предложим универсальное...

Читать далее

Клинические испытания первой омолаживающей терапии

    Самое первое человеческое испытание сенолитических лекарств, было объявлено ещё в июне, и большая часть мира практически не обратила внимания на него...

Читать далее

Старение внеклеточного матрикса

    Данная статья собрана из нескольких моих ранних заметок о влиянии внеклеточного матрикса на процесс старения. Текст статьи будет обновляться — я планирую...

Читать далее

Обзор достижений в борьбе со старением в 2018 году

   Каким был 2018 год в борьбе со старением? Год начался с хорошей новости. Под давлением общественности, ученых, организаций и сторонников борьбы со...

Читать далее

Таблетка от старости и кровь младенцев: достижения науки о старении в 2018 году

    2018-й принес обнадеживающие результаты в борьбе со старением и стал годом взрывного роста бизнеса на бессмертии. Начались испытания сенолитика — препарата, убивающего стареющие клетки, ключевого...

Читать далее

Китайский ученый заявил о рождении первых в мире генетически модифицированных детей

  Китайский ученый Цзянькуй Хэ заявил о рождении первых в мире детей из генетически отредактированных эмбрионов. По словам ученого, родились близняшки, у которых он попытался создать устойчивость к заражению...

Читать далее

Новая веха в медицине: Создан первый в мире сканер для всего тела

    Исследователи и ученые из Калифорнийского университета в Дейвисе со своими китайскими коллегами из компании United Imaging Healthcare (UIH) создали аппарат...

Читать далее

Первая искусственная роговица, напечатанная на 3D-принтере, уже готова для трансплантации

    Роговица — это крайне важная, но очень хрупкая часть нашего органа зрения. Она очень легко подвержена травмам и различным заболеваниям...

Читать далее

Ученые создают лазерный кожный регенератор из «Стартрека»

     Технологии из научно-фантастической вселенной «Стартрек» продолжают проникать в нашу реальную жизнь. Мы уже читали о медицинском трикодере, слышали о разработках...

Читать далее

Ученые создали универсальные имплантаты, которые не будут отторгаться организмом

  Любые материалы (в том числе и биологические), которые не созданы нашим организмом, в любом случае являются чужеродными и будут отторгаться...

Читать далее

«Получи я миллиард долларов сегодня, мы победили бы старение на 10 лет раньше. Это 400 миллионов жизней»

      Обри де Грей: большое интервью   В Москву на конференцию «Future in the City», которая пройдет 18 и 19 июля в башне «Империя» в Москва-Сити...

Читать далее

Генетик из Гарварда создал стартап по омоложению собак

В дальнейшем ученый намерен распространить исследования на людей.     Генетик, молекулярный инженер и химик Джордж Черч из Гарварда основал стартап Rejuvenate Bio...

Читать далее

Как наука приближает бессмертие к реальности?

    Поиски Понсе де Леоном фонтана вечной молодости могут быть легендой, но основная идея — поиск лекарства от старости — вполне реальна. Люди...

Читать далее

Секрет вечной жизни точно скрывается в наших клетках

    Однажды могущественный шумерский король по имени Гильгамеш отправился на происки, как это часто делают персонажи мифов и легенд. Гильгамеш стал...

Читать далее

Геронтологи готовы к прорыву

Остановись, старенье!   Ведущие ученые из 17 стран приехали в Россию, чтобы решить проблему старения. Именно теперь, по их мнению, накоплен критический...

Читать далее

Моя улучшенная версия: как жить вечно

      Джордж Чёрч [George Church] возвышается над большинством людей. У него длинная серая борода волшебника Средиземья, а работа всей его жизни...

Читать далее

Клеточная терапия без клеток: омоложение внеклеточными везикулами

  Восстановление сердечной мышцы после месяца терапии внеклеточными везикулами. Иммунные метки: агглютинин (красный), тропонин (зеленый) и DAPI (голубой)   Исследователи Колумбийского университета, работающие...

Читать далее

Биологи впервые собрали мышиный «эмбрион» прямо из стволовых клеток

  Бластоциста состоит из внешнего слоя клеток, из которого развивается плацента, и внутреннего – будущего детёныша. Здесь и ниже иллюстрации Nicolas...

Читать далее

Способ борьбы со старением: обращение вспять процесса снижения концентрации НАД+

    Старение сопровождается развитием метаболических нарушений и дряхлением. Недавние исследования продемонстрировали, что снижение уровня никотинамидадениндинуклеотида (НАД+) – ключевой фактор замедления обменных процессов, связанного...

Читать далее

Лекарства от старения, и Где они обитают

Время напрямую людей не убивает, старение – это биологический процесс. Есть группа заболеваний, которые называют возраст-ассоциированными, или старческими. Основным фактором риска...

Читать далее

Создан микроскоп, позволяющий наблюдать за движением клеток внутри организма

Ученые из Медицинского института Говарда Хьюза усовершенствовали метод флюоресцентной микроскопии таким образом, что теперь с ее помощью можно снимать в...

Читать далее

Ученые имплантировали маленький человеческий мозг мыши

Имплантация органов и тканей – вещь в науке далеко не новая. Не первый день существуют и так называемые кортикальные наборы...

Читать далее

В человеческих клетках впервые обнаружена новая форма ДНК

Ученые из австралийского Института медицинских исследований Гарвана сообщили об открытии в клетках человеческого организма необычных структур ДНК – i-мотивов (intercalated-motif...

Читать далее

Нанонож лишнего не отрежет: хирурги тестируют точечную терапию рака

Самое распространенное среди мужчин онкологическое заболевание, рак простаты, которым страдает примерно четверть пациентов урологических стационаров, до недавнего времени лечили хирургически — удаляли...

Читать далее

В США впервые в мире провели комплексную пересадку пениса и мошонки

Врачам из больницы Джона Хопкинса (штат Мэриленд) удалось провести успешную комплексную трансплантацию пениса и мошонки. Операция длилась 14 часов, в...

Читать далее

Антиоксидант MitoQ омолаживает сосуды

Результаты, полученные исследователями университета Колорадо в Боулдере, работающими под руководством профессора Дага Силса (Doug Seals), еще раз подтвердили, что применение...

Читать далее

Эпидемия молодости: как прожить 120 лет и стать счастливым

    Около 5% нынешних молодых и богатых проживут 120 лет и дольше, считают биохакеры. Читайте, что для этого нужно делать. Осенью 2017...

Читать далее

Имплантация пигментного слоя сетчатки помогла сохранить зрение

    Борьба с заболеваниями, которые в той или иной степени угрожают жизни человека – одно из самых приоритетных направлений современной медицины...

Читать далее

В США протестировали мозговой имплантат для улучшения памяти

    Американские исследователи провели проверку имплантата-электростимулятора, призванного усилить память. В среднем способность к запоминанию слов удалось улучшить на 15%. Если технология пройдет...

Читать далее

Ученым впервые удалось воссоздать легочную ткань

    Лечение стволовыми клетками находит все большее применение в медицинской практике. Так, например, группа китайских ученых из Университета Тунцзи не так...

Читать далее

Ученые МИЭТа планируют начать серийное производство аппарата вспомогательного кровообращения для детей уже в этом году

    В 2012 году благодаря ученым нашего университета была осуществлена первая в России успешная операция по имплантации «искусственного сердца» человеку. К...

Читать далее

Первый шаг к тканеинженерным надпочечникам

    Исследователи лондонского университета королевы Марии, работающие под руководством доктора Леонардо Гуасти (Leonardo Guasti), использовали репрограммированные клетки для создания первого прототипа...

Читать далее
Image

Оцифровка пользователя, Моделирование, 3D-визуализация.

Создание подробной цифровой копии на основе данных из медкарты.

Анализ данных. Исправление показателей организма.

Image

Взаимодействие цифровых профилей с целью улучшения показателей.

Обмен знаниями, проведение общих исследований.

Загрузка личного аватара в 3D мир. Игрификация, соревнования.

Image

В разработке

  • Официальная страница о медицинских чат-ботах на сайте Сверхчеловечество.рф
  • Подробности разработки чат-бота для проекта "Карта управления возрастом" (для партнеров и разработчиков) здесь:
Image

Обзор мировых разработок по хранению данных в разработке

Хранилище данных для Электронной Медицинской Карты Управления Возрастом в разработке

Материалы по теме:

Image

Основное взаимодействие планируется производить посредством Социальной сети:

Также существует множество специализированных телемедицинских сервисов:

Image

Данный раздел находится в разработке и будет доступен после запуска Электронной медицинской Карты Управления Возрастом:

Image

Основной материал сайта по теме искусственного интеллекта в медицине здесь:

На основе данной статьи будет определяться разработчик искусственного интеллекта для данной системы управления возрастом.

Image

ВАШ ЛИЧНЫЙ ВКЛАД В БОРЬБУ СО СТАРЕНИЕМ

Скооперируйтесь с тысячами других участников и создайте любой проект в области антистарения, проведите научные исспедования

Площадка для создания и финансирования проектов. Официальная страница сайта Сверхчеловечество.рф для сбора средств на ускорение прогресса в области омоложения:

Image
Image

Основная страница сайта Сверхчеловечество.рф о создании и участии в клинических испытаниях терапий антистарения и отката возраста организма здесь: