Todos os dias, os bilhões de bactérias que habitam seu sistema digestivo mudam; os alimentos que você ingere, os medicamentos que toma e os germes aos quais está exposto fazem algumas bactérias florescer mais do que outras. Os cientistas sabem que esse equilíbrio em constante mudança de micróbios intestinais está ligado à saúde e à doença, mas têm se esforçado para definir o que torna um equilíbrio microbiano melhor do que outro.
Na última década, os cientistas geralmente descreveram o microbioma de uma pessoa - a coleção de micróbios encontrados no intestino humano - caracterizando quais espécies de bactérias estão presentes e em que quantidades. Agora, um grupo de pesquisadores liderados por Katie Pollard, PhD, no Gladstone Institutes publicou dois novos estudos que sugerem que o monitoramento de cepas de bactérias - e não apenas das espécies - pode fornecer melhores informações sobre o microbioma.
As cepas bacterianas são um pouco como raças de cães ou variedades de tomate - partes da mesma espécie, mas distintas umas das outras.
Em um estudo publicado na revista Nature Biotechnology, o laboratório de Pollard trabalhou com Stephen Nayfach, PhD, um cientista pesquisador do Instituto Conjunto do Genoma do Departamento de Energia dos Estados Unidos, para desenvolver um novo método computacional para analisar as cepas de bactérias presentes em uma amostra de microbioma muito mais rápida e econômica do que as tecnologias existentes. A nova abordagem, diz Pollard, permitirá aos pesquisadores realizar análises maiores e mais precisas do microbioma do que nunca.
Em um artigo separado publicado online na Genome Research, Pollard colaborou com os laboratórios de Benjamin Good, PhD, e Michael Snyder, PhD, na Universidade de Stanford para rastrear as cepas de bactérias presentes no microbioma de uma pessoa em 19 pontos de tempo diferentes em um período de 5 período de meses, incluindo antes e depois de um curso de antibióticos. Eles descobriram que, em alguns casos, a abundância de uma espécie de bactéria permaneceu constante entre os pontos de tempo, mas as cepas dentro dessa espécie mudaram dramaticamente.
Tornando Microbiomas Significativos
Dentro do seu intestino, as bactérias provavelmente fazem mais do que apenas digerir a comida. Na verdade, estudos têm mostrado que pessoas com doenças tão diversas como doenças inflamatórias do intestino, asma, autismo, diabetes e câncer têm bactérias diferentes em seus sistemas digestivos em comparação com pessoas saudáveis. Mas poucos tratamentos direcionados ao microbioma surgiram dessas observações até agora.
Como cada bactéria tem seu próprio código genético, os cientistas contam com o sequenciamento de DNA para descobrir quais bactérias habitam o microbioma de uma determinada pessoa. Mas analisar as sequências de DNA é difícil devido ao tamanho e à complexidade dos dados. Embora os pesquisadores possam usar os métodos existentes para determinar quais espécies estão presentes, eles fornecem apenas parte do quadro da diversidade e função do microbioma. Isso ocorre porque as diferentes cepas em uma única espécie de bactéria podem abrigar diferenças genéticas significativas, que geralmente são grandes o suficiente para induzir comportamentos diferentes.
Até agora, identificar diferenças genéticas em uma amostra de microbioma exigia poder de computação de alto desempenho e armazenamento em nuvem - algo não disponível para a maioria dos laboratórios. Os pesquisadores tiveram que comparar milhões de fragmentos de DNA dos genomas de milhares de bactérias presentes no microbioma a um banco de dados com as sequências de todos os microrganismos conhecidos, usando uma técnica conhecida como alinhamento de sequências.
Pollard e seus colegas sabiam que longos trechos de sequências do genoma são comuns entre muitas espécies ou cepas de bactérias. Portanto, essas sequências não podem ser usadas para ajudar a identificar uma cepa bacteriana específica. Inspirada por abordagens que analisam apenas as regiões mais variáveis do genoma humano, a equipe começou a encontrar a quantidade mínima de informações de sequência de que precisariam coletar dos dados do microbioma para identificar quais cepas ele continha.
Os pesquisadores analisaram mais de 100,000 genomas publicamente disponíveis e de alta qualidade de aproximadamente 900 espécies bacterianas comumente encontradas no intestino humano. Eles descobriram 104 milhões de sequências curtas de DNA nos genomas bacterianos que variam com mais frequência entre as cepas de bactérias. Em seguida, eles usaram essas informações para projetar um novo algoritmo, apelidado de GenoTyper para procariontes (GT-Pro), que pesquisa os dados da sequência do microbioma em busca de correspondências exatas para as sequências de teclas que atuam como identificadores de cepas bacterianas. Ao contrário dos métodos de alinhamento de sequência anteriores, o GT-Pro cabe na memória de um laptop e não requer computação de alto desempenho e créditos em nuvem.
O campo de pesquisa era anteriormente limitado pelo fato de que apenas alguns laboratórios ao redor do mundo têm dinheiro ou hardware de computador para analisar dados de microbioma na resolução de cepas.
Antes e depois dos antibióticos
Uma das perguntas que os pesquisadores do microbioma têm se esforçado para responder nos últimos anos é o quanto o microbioma muda no corpo de uma pessoa ao longo do tempo. Esta questão foi abordada em nível de espécie; os cientistas rastrearam como a composição de espécies dos microbiomas das pessoas muda junto com a dieta, doenças ou mudanças ambientais. Mas os resultados não conseguiram explicar como o microbioma ganha novas funções, como resistência a antibióticos ou a capacidade de inativar drogas quimioterápicas, quando a composição das espécies permanece estável mês a mês.
Pollard e seus colegas queriam aprofundar essa questão em um nível mais profundo, analisando como as cepas de bactérias, em vez de apenas as espécies, mudam com o tempo. Eles reaproveitaram um método projetado para sequenciar células humanas individuais e o usaram para codificar moléculas de DNA bacteriano. Isso permitiu ao grupo rastrear cepas individuais de bactérias em uma pessoa ao longo de um estudo de 5 meses.
A equipe sequenciou o microbioma de um indivíduo saudável aproximadamente uma vez por semana durante 5 meses. Durante esse período, o paciente foi surpreendentemente diagnosticado com a doença de Lyme e recebeu um curso de 2 semanas de antibióticos - conhecido por eliminar muitas espécies de bactérias, incluindo aquelas que vivem no intestino humano.
Em alguns casos, isso era verdade - certas espécies e cepas de micróbios eram notavelmente resistentes, presentes com genomas quase inalterados no início e no final do período de 5 meses. Mas em outros casos, as cepas presentes após os antibióticos eram geneticamente diferentes daquelas no início, embora a abundância das espécies não tenha mudado. É importante ressaltar que essas diferenças teriam sido perdidas se a equipe tivesse analisado apenas as espécies presentes em cada amostra do microbioma.
Embora o algoritmo GT-Pro ainda não estivesse disponível para ser usado neste estudo, Pollard diz que tornaria estudos futuros semelhantes muito mais fáceis - e baratos - de conduzir.
Traçando um novo caminho para estudos de microbiota
As bactérias em seu corpo são como uma selva - um ecossistema vivo e mutante com organismos coexistindo em um equilíbrio delicado. Ao olhar para as imagens de satélite de cima, os ecologistas podem monitorar as mudanças mais profundas e drásticas em uma selva, mas eles perderão as complexidades mais sutis que moldam o meio ambiente.
Da mesma forma, aqueles que estudam o microbioma observando como as espécies mudam estão obtendo uma visão de alto nível da rede e vendo apenas as conexões mais óbvias com saúde e doença. Mas com GT-Pro e uma nova visão das cepas de micróbios, diz Pollard, novos links se tornarão aparentes.
