Phân tích tổng hợp về Đa dạng Vi sinh vật được Nuôi cấy trong Các Bể Nuôi cấy Giả lập Vi sinh vật Ruột

Microbial Ecology - 2024
David Felipe García Mendez1, Siobhon Egan1, Julien Wist1, Elaine Holmes1, Janeth Sanabria2
1Australian National Phenome Centre and Centre for Computational and Systems Medicine, Health Futures Institute, Murdoch University, Harry Perkins Building, Perth, WA, 6150, Australia
2Environmental Microbiology and Biotechnology Laboratory, Engineering School of Environmental & Natural Resources, Engineering Faculty, Universidad del Valle – Sede Meléndez, 76001, Cali, Colombia

Tóm tắt

Tóm tắtViệc hiểu rõ các tương tác sinh thái phức tạp trong hệ vi sinh vật đường ruột và khám phá ảnh hưởng của nó đến sức khỏe con người là một nhiệm vụ đầy thử thách. Các bể nuôi cấy là những công cụ quý giá đã góp phần vào việc hiểu biết về sinh thái học vi sinh vật đường ruột. Tuy nhiên, còn thiếu các nghiên cứu mô tả và so sánh sự đa dạng vi sinh vật được nuôi cấy trong các mô hình này. Kiến thức này rất quan trọng để tinh chỉnh các mô hình hiện tại phản ánh chính xác hệ vi sinh vật đường tiêu hóa. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phân tích sự đa dạng vi sinh vật của 1512 mẫu từ 18 nghiên cứu có sẵn trong các kho dữ liệu công cộng, sử dụng các phương pháp nuôi cấy theo mẻ và các mô hình bể nuôi cấy khác nhau để nuôi cấy vi khuẩn phân. So sánh cấu trúc cộng đồng giữa các mẫu bằng cách sử dụng nhúng hàng xóm ngẫu nhiên phân phối t và khoảng cách Hellinger đã cho thấy sự biến đổi cao giữa các dự án. Nguyên nhân chính của sự khác biệt này là sự biến đổi giữa các cá thể giữa các mẫu phân của người hiến tặng. Hơn nữa, không có sự chồng chéo về cấu trúc của các cộng đồng vi sinh vật giữa các nghiên cứu sử dụng cùng một nền tảng bể nuôi cấy. Thêm vào đó, phân tích α-đa dạng sử dụng các số Hill cho thấy rằng các bể nuôi cấy phức tạp cao không có sự đa dạng cao hơn so với các thiết kế đơn giản hơn. Tuy nhiên, phân tích năm dự án trong đó các mẫu từ mầm bệnh phân cũng được cung cấp cho thấy sự phong phú của các biến thể chuỗi amplicon trong các bể nuôi cấy so với mầm bệnh. Cuối cùng, một phân tích so sánh về phân loại của các họ vi khuẩn được phát hiện trong các dự án và cơ sở dữ liệu GMRepo cho thấy các họ vi khuẩn xuất hiện độc quyền trong các mô hình bể nuôi cấy. Những phát hiện này làm nổi bật tiềm năng của các bể nuôi cấy trong việc làm phong phú thêm các vi sinh vật có số lượng thấp từ các mẫu phân, góp phần vào việc khám phá "vật tối" vi sinh vật đường ruột.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

de Vos WM, Tilg H, Hul MV, Cani PD (2022) Gut microbiome and health: mechanistic insights. Gut 71:1020–1032. https://doi.org/10.1136/gutjnl-2021-326789

Byrne CS, Blunt D, Burn J et al (2019) A study protocol for a randomised crossover study evaluating the effect of diets differing in carbohydrate quality on ileal content and appetite regulation in healthy humans. F1000Research 8:258. https://doi.org/10.12688/f1000research.17870.2

Vuik F, Dicksved J, Lam S et al (2019) Composition of the mucosa-associated microbiota along the entire gastrointestinal tract of human individuals. United Eur Gastroenterol J 7:897–907. https://doi.org/10.1177/2050640619852255

Hasan N, Yang H (2019) Factors affecting the composition of the gut microbiota, and its modulation. PeerJ 7:e7502. https://doi.org/10.7717/peerj.7502

Thomas AM, Segata N (2019) Multiple levels of the unknown in microbiome research. BMC Biol 17:48. https://doi.org/10.1186/s12915-019-0667-z

Knight R, Vrbanac A, Taylor BC et al (2018) Best practices for analysing microbiomes. Nat Rev Microbiol 16:410–422. https://doi.org/10.1038/s41579-018-0029-9

Jiao J-Y, Liu L, Hua Z-S et al (2021) Microbial dark matter coming to light: challenges and opportunities. Natl Sci Rev 8:nwaa280. https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa280

Neville BA, Forster SC, Lawley TD (2018) Commensal Koch’s postulates: establishing causation in human microbiota research. Curr Opin Microbiol 42:47–52. https://doi.org/10.1016/j.mib.2017.10.001

Forster SC, Kumar N, Anonye BO et al (2019) A human gut bacterial genome and culture collection for improved metagenomic analyses. Nat Biotechnol 37:186–192. https://doi.org/10.1038/s41587-018-0009-7

Browne HP, Forster SC, Anonye BO et al (2016) Culturing of ‘unculturable’ human microbiota reveals novel taxa and extensive sporulation. Nature 533:543–546. https://doi.org/10.1038/nature17645

Almeida A, Mitchell AL, Boland M et al (2019) A new genomic blueprint of the human gut microbiota. Nature 568:499–504. https://doi.org/10.1038/s41586-019-0965-1

Costa J, Ahluwalia A (2019) Advances and current challenges in intestinal in vitro model engineering: a digest. Front Bioeng Biotechnol 7. https://doi.org/10.3389/fbioe.2019.00144

Renwick S, Ganobis CM, Elder RA et al (2021) Culturing human gut microbiomes in the laboratory. Annu Rev Microbiol. https://doi.org/10.1146/annurev-micro-031021-084116

Kuenen JG (2008) Anammox bacteria: from discovery to application. Nat Rev Microbiol 6:320–326. https://doi.org/10.1038/nrmicro1857

Wu G, Zhang T, Gu M et al (2020) Review of characteristics of anammox bacteria and strategies for anammox start-up for sustainable wastewater resource management. Water Sci Technol 82:1742–1757. https://doi.org/10.2166/wst.2020.443

Mabwi HA, Kim E, Song D-G et al (2021) Synthetic gut microbiome: advances and challenges. Comput Struct Biotechnol J 19:363–371. https://doi.org/10.1016/j.csbj.2020.12.029

Krause JL, Schaepe SS, Fritz-Wallace K et al (2020) Following the community development of SIHUMIx – a new intestinal in vitro model for bioreactor use. Gut Microbes 11:1116–1129. https://doi.org/10.1080/19490976.2019.1702431

Stolaki M, Minekus M, Venema K et al (2019) Microbial communities in a dynamic in vitro model for the human ileum resemble the human ileal microbiota. FEMS Microbiol Ecol 95. https://doi.org/10.1093/femsec/fiz096

Molly K, Woestyne MV, Smet ID, Verstraete W (1994) Validation of the simulator of the human intestinal microbial ecosystem (SHIME) reactor using microorganism-associated activities. Microb Ecol Health Dis 7:191–200. https://doi.org/10.3109/08910609409141354

Venema K (2015) The TNO In Vitro Model of the Colon (TIM-2). In: Verhoeckx K, Cotter P, López-Expósito I, et al (eds) The impact of food bioactives on health: in vitro and ex vivo models. Springer, Cham (CH)

Barroso E, Cueva C, Peláez C et al (2015) Development of human colonic microbiota in the computer-controlled dynamic SIMulator of the GastroIntestinal tract SIMGI. LWT - Food Sci Technol 61:283–289. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2014.12.014

Berner AZ, Fuentes S, Dostal A et al (2013) Novel polyfermentor intestinal model (PolyFermS) for controlled ecological studies: validation and effect of pH. PLoS One 8:2–11. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0077772

Cordonnier C, Thévenot J, Etienne-Mesmin L et al (2015) Dynamic in vitro models of the human gastrointestinal tract as relevant tools to assess the survival of probiotic strains and their interactions with gut microbiota. Microorganisms 3:725–745. https://doi.org/10.3390/microorganisms3040725

Macfarlane GT, Macfarlane S, Gibson GR (1998) Validation of a three-stage compound continuous culture system for investigating the effect of retention time on the ecology and metabolism of bacteria in the human colon. Microb Ecol 35:180–187. https://doi.org/10.1007/s002489900072

García Mendez DF, Sanabria J, Wist J, Holmes E (2023) Effect of operational parameters on the cultivation of the gut microbiome in continuous bioreactors inoculated with feces: a systematic review. J Agric Food Chem. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.2c08146

Gálvez-Merchán Á, Min KH (Joseph), Pachter L, Booeshaghi AS (2022) Metadata retrieval from sequence databases with ffq. 2022.05.18.492548

Callahan BJ, McMurdie PJ, Rosen MJ et al (2016) DADA2: High resolution sample inference from Illumina amplicon data. Nat Methods 13:581–583. https://doi.org/10.1038/nmeth.3869

McMurdie PJ, Holmes S (2014) Waste not, want not: why rarefying microbiome data is inadmissible. PLOS Comput Biol 10:e1003531. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003531

Dai D, Zhu J, Sun C et al (2022) GMrepo v2: a curated human gut microbiome database with special focus on disease markers and cross-dataset comparison. Nucleic Acids Res 50:D777–D784. https://doi.org/10.1093/nar/gkab1019

Alberdi A, Gilbert MTP (2019) A guide to the application of Hill numbers to DNA-based diversity analyses. Mol Ecol Resour 19:804–817. https://doi.org/10.1111/1755-0998.13014

Isenring J, Bircher L, Geirnaert A, Lacroix C (2023) In vitro human gut microbiota fermentation models: opportunities, challenges, and pitfalls. Microbiome Res Rep 2:2. https://doi.org/10.20517/mrr.2022.15

Ma Z, (Sam), (2018) Chapter 8 - Measuring microbiome diversity and similarity with Hill numbers. In: Nagarajan M (ed) Metagenomics. Academic Press, pp 157–178

Loreau M (2010) The Challenges of Biodiversity Science. Excellence in Ecology. Book 17. International Ecology Institute, Oldendorf/Luhe

Średnicka P, Roszko MŁ, Popowski D et al (2023) Effect of in vitro cultivation on human gut microbiota composition using 16S rDNA amplicon sequencing and metabolomics approach. Sci Rep 13:3026. https://doi.org/10.1038/s41598-023-29637-2

Lau JT, Whelan FJ, Herath I et al (2016) Capturing the diversity of the human gut microbiota through culture-enriched molecular profiling. Genome Med 8:72. https://doi.org/10.1186/s13073-016-0327-7

Richarte V, Sánchez-Mora C, Corrales M et al (2021) Gut microbiota signature in treatment-naïve attention-deficit/hyperactivity disorder. Transl Psychiatry 11:1–7. https://doi.org/10.1038/s41398-021-01504-6

Lagkouvardos I, Lesker TR, Hitch TCA et al (2019) Sequence and cultivation study of Muribaculaceae reveals novel species, host preference, and functional potential of this yet undescribed family. Microbiome 7:28. https://doi.org/10.1186/s40168-019-0637-2

Smith BJ, Miller RA, Schmidt TM (2021) Muribaculaceae genomes assembled from metagenomes suggest genetic drivers of differential response to acarbose treatment in mice. mSphere 6:e00851-21. https://doi.org/10.1128/msphere.00851-21

Shi M, Wei Y, Hu W et al (2018) The subgingival microbiome of periodontal pockets with different probing depths in chronic and aggressive periodontitis: a pilot study. Front Cell Infect Microbiol 8:124. https://doi.org/10.3389/fcimb.2018.00124

Quéméneur M, Erauso G, Frouin E et al (2019) Hydrostatic pressure helps to cultivate an original anaerobic bacterium from the Atlantis Massif subseafloor (IODP Expedition 357): Petrocella atlantisensis gen. nov. sp. nov. Front Microbiol 10. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.01497

Chassaing B, Wiele TVD, Bodt JD et al (2017) Dietary emulsifiers directly alter human microbiota composition and gene expression ex vivo potentiating intestinal inflammation. Gut 66:1414–1427. https://doi.org/10.1136/gutjnl-2016-313099

Bellali S, Lagier J-C, Million M et al (2021) Running after ghosts: are dead bacteria the dark matter of the human gut microbiota? Gut Microbes 13:1–12. https://doi.org/10.1080/19490976.2021.1897208

Gutiérrez CF, Rodríguez-Romero N, Egan S et al (2022) Exploiting the potential of bioreactors for creating spatial organization in the soil microbiome: a strategy for increasing sustainable agricultural practices. Microorganisms 10:1464. https://doi.org/10.3390/microorganisms10071464

Thông tin
Thông tin xuất bản

Microbial Ecology

Thông tin tác giả