Verstoringen in het microbioom van de menselijke darm zijn gecorreleerd met verschillende ziekten, waaronder obesitas en kanker. Toch is er weinig bekend over de ruimtelijke organisatie van de bijna 1, 000 bacteriesoorten in de menselijke darm, die van invloed kunnen zijn op hoe de soorten met elkaar en met hun gastheer omgaan.

In een nieuw gezamenlijk onderzoek wetenschappers van het Marine Biological Laboratory in Woods Hole, het Forsyth-instituut, en de Washington University in St. Louis een vereenvoudigde, modelleer het menselijke darmmicrobioom in kiemvrije muizen en onthulde de structuur ervan door middel van beeldvormingstechnologieën die zijn ontwikkeld bij de MBL. Het onderzoek is deze week gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences .

"We dachten dat we clusters van bacteriën zouden zien, waarbij sommige soorten samenkomen rond voedseldeeltjes en andere die overvloedig aanwezig zijn in de slijmlaag van de darm, die de bacteriën scheidt van gastheerweefsel, " zegt MBL-wetenschapper Jessica Mark Welch, de hoofdauteur van de studie. "In plaats daarvan, we zagen een gemengde gemeenschap, waar elke cel de neiging had zich naast cellen van een andere soort te bevinden." De bacteriegemeenschappen in de buurt van de slijmlaag en in het inwendige van de darm (het lumen), waar verteerd voedsel door spiersamentrekkingen wordt geduwd, leek op elkaar.

"De studie suggereert dat de gastheer de microben vermengt en voorkomt dat zich grote clusters van afzonderlijke soorten bacteriën vormen, " zegt Mark Welch. "De gastheer doet dit door slijm en epitheelcellen in het lumen af ​​te werpen, en door de inhoud van de darm mechanisch te mengen. Het kan zijn dat deze vermenging een evolutionair stabiele microbiële gemeenschap creëert."

"Niemand heeft eerder op deze manier naar een complexe microbiële gemeenschap in de darm gekeken, " zegt senior auteur Gary Borisy, een senior onderzoeker aan het Forsyth Institute in Cambridge, Mass. "Als we de rol van het microbioom echt willen begrijpen, het is niet voldoende om te weten welke microben aanwezig zijn. We moeten ook leren wat ze doen, met wie ze praten en waarom. Een deel van het antwoord op dat probleem is om erachter te komen wie naast wie staat en wie naast wat."

Het begrijpen van de ruimtelijke structuur van microbiomen is een jong veld dat deze onderzoekers pionieren met hun nieuwe beeldvormingstechnologie. Wat ze in het darmmodel zagen, staat in contrast met hun eerdere onderzoek naar menselijke tandplak, waar ze zeer georganiseerde assemblages van bacteriesoorten ontdekten.

"We begrijpen niet helemaal waarom de organisatie van het microbioom zo verschillend is in de mond en in de darm, " zegt Mark Welch. "Het kan te maken hebben met de stroomsnelheid. In de mond, als bacteriën zich ergens niet aan hechten - noch aan elkaar, noch aan de gastheer - komen ze binnen enkele seconden in de maag terecht. In de darm, stroom van inhoud gebeurt op een tijdschaal van uren in plaats van seconden."

Mark Welch en medewerkers onderzoeken momenteel de microbioomorganisatie in een aantal menselijke en mariene ecosystemen, inclusief de menselijke taal, de darm van de inktvis, het oppervlak van kelp, en op plastic afval in zee.

Hun beeldvormingstechnologie geeft de onderzoekers de unieke mogelijkheid om tegelijkertijd 15 of meer microbiële taxa in beeld te brengen en te identificeren, met behulp van een techniek genaamd Combinatorial Labeling and Spectral Imaging - Fluorescence in situ Hybridization (CLASI-FISH). Het darmmicrobioom van het team bevatte 15 bacteriesoorten die doorgaans overvloedig aanwezig zijn in de menselijke darm.