Informacja

6.12.1: Rozważania dotyczące kontroli drobnoustrojów — biologia

6.12.1: Rozważania dotyczące kontroli drobnoustrojów — biologia



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Kontrolowanie wzrostu drobnoustrojów jest ważne w wielu dziedzinach, ale stopień dopuszczalnych poziomów drobnoustrojów może być zupełnie inny.

CELE NAUCZANIA

Odkryj zagadnienia związane z kontrolą drobnoustrojów

Kluczowe punkty

  • Kontrolowanie wzrostu drobnoustrojów jest ważne w medycynie, przemyśle farmaceutycznym i biotechnologicznym, badaniach naukowych i przemyśle spożywczym.
  • Stopień dopuszczalnej obecności drobnoustrojów może się różnić w zależności od okoliczności. Sterylizacja jako definicja oznacza, że ​​całe życie zostało zakończone, podczas gdy sanityzacja i dezynfekcja kończy się selektywnie i częściowo.
  • Środki chemiczne, które mogą eliminować lub tłumić życie drobnoustrojów, są podzielone na różne grupy w zależności od ich zastosowania. Główne grupy to środki dezynfekujące, antyseptyczne i antybiotyki.
  • Środki przeciwbakteryjne dzielą się na dwie szerokie grupy w zależności od ich biologicznego wpływu na mikroorganizmy: środki bakteriobójcze zabijają bakterie, a środki bakteriostatyczne spowalniają lub opóźniają wzrost bakterii.

Kluczowe terminy

  • sterylizacja: Każdy proces, który eliminuje lub zabija wszystkie formy życia drobnoustrojowego obecne na powierzchni, roztworze lub stałym związku.
  • mikrobicydy: Związki lub substancje, których celem jest zmniejszenie zakaźności drobnoustrojów, takich jak wirusy lub bakterie.
  • pozajelitowe: Podawana w inny sposób niż doustnie, zwłaszcza dożylnie lub przez wstrzyknięcie.

Rozważania dotyczące kontroli drobnoustrojów

Odkąd wykazano, że drobnoustroje powodują choroby, ludzie wymyślili różne techniki kontrolowania ich rozprzestrzeniania się. Kontrolowanie wzrostu drobnoustrojów jest ważne w medycynie, przemyśle farmaceutycznym i biotechnologicznym, badaniach naukowych i przemyśle spożywczym. Każda substancja lub środek przeciwdrobnoustrojowy osiąga inny poziom eliminacji drobnoustrojów przez pewien mechanizm.

RODZAJE KONTROLI MIKROBIOLOGICZNEJ

Sterylizacja (lub sterylizacja) to termin odnoszący się do dowolnego procesu, który eliminuje (usuwa) lub zabija wszystkie formy życia drobnoustrojów, w tym czynniki zakaźne (takie jak grzyby, bakterie, wirusy i formy zarodników) obecne na powierzchni, zawarte w płynie , w lekach lub w związku. Sterylizację można osiągnąć poprzez zastosowanie odpowiednich kombinacji ciepła, chemikaliów, napromieniowania, wysokiego ciśnienia i filtracji.

Środki chemiczne, które mogą eliminować lub tłumić życie drobnoustrojów, są podzielone na różne grupy w zależności od ich zastosowania.

Środki dezynfekujące to substancje, które nakłada się na przedmioty nieożywione w celu zniszczenia żyjących na nich mikroorganizmów. Dezynfekcja niekoniecznie zabija wszystkie drobnoustroje, zwłaszcza oporne przetrwalniki bakterii, więc jest mniej skuteczna niż sterylizacja. Środki dezynfekujące różnią się od innych środków przeciwdrobnoustrojowych, takich jak antybiotyki, które niszczą mikroorganizmy w organizmie. Środki dezynfekujące różnią się również od biocydów, ponieważ mają na celu zniszczenie wszystkich form życia, a nie tylko mikroorganizmów. Środki dezynfekujące działają poprzez niszczenie ściany komórkowej drobnoustrojów lub zakłócanie ich metabolizmu.

Środki antyseptyczne to substancje przeciwdrobnoustrojowe, które nakłada się na żywą tkankę lub skórę w celu zmniejszenia możliwości infekcji, sepsy lub gnicia. Środki antyseptyczne zasadniczo odróżnia się od antybiotyków tym, że te ostatnie mogą być transportowane przez układ limfatyczny w celu niszczenia bakterii w ciele, oraz od środków dezynfekujących, które niszczą mikroorganizmy znajdujące się na przedmiotach nieożywionych.

Termin antybiotyk został po raz pierwszy użyty w 1942 roku przez Selmana Waksmana i jego współpracowników w artykułach w czasopismach, aby opisać każdą substancję wytwarzaną przez mikroorganizm, która jest antagonistą wzrostu innych mikroorganizmów w dużym rozcieńczeniu. Definicja ta wykluczyła substancje, które zabijają bakterie, ale nie są wytwarzane przez mikroorganizmy (takie jak soki żołądkowe i nadtlenek wodoru). Wykluczono również syntetyczne związki przeciwbakteryjne, takie jak sulfonamidy. Wraz z postępem chemii medycznej, większość dzisiejszych środków przeciwbakteryjnych chemicznie to półsyntetyczne modyfikacje różnych naturalnych związków.

Wiele związków przeciwbakteryjnych klasyfikuje się na podstawie pochodzenia chemicznego lub biosyntetycznego na naturalne, półsyntetyczne i syntetyczne. Inny system klasyfikacji opiera się na aktywności biologicznej. W tej klasyfikacji środki przeciwbakteryjne dzielą się na dwie szerokie grupy w zależności od ich biologicznego wpływu na mikroorganizmy: środki bakteriobójcze zabijają bakterie, a środki bakteriostatyczne spowalniają lub opóźniają wzrost bakterii.

Mikrobicydy, które niszczą cząsteczki wirusa, nazywane są środkami wirusobójczymi lub przeciwwirusowymi.

POZIOM OBECNOŚCI MIKROBIOLOGICZNEJ

Stopień dopuszczalnej obecności drobnoustrojów może się różnić w zależności od okoliczności. Sterylizacja jako definicja oznacza, że ​​całe życie zostało zakończone, podczas gdy sanityzacja i dezynfekcja kończy się selektywnie i częściowo. Zarówno sanityzacja, jak i dezynfekcja zmniejszają liczbę docelowych organizmów chorobotwórczych do poziomu uznawanego za „akceptowalny” – poziomu, z którym poradzi sobie w miarę zdrowy, nienaruszony organizm.

Ogólnie rzecz biorąc, narzędzia chirurgiczne i leki, które dostają się do już aseptycznej części ciała (takiej jak krwioobieg lub przenikają przez skórę), muszą być sterylizowane do wysokiego poziomu zapewnienia sterylności (SAL). Przykładami takich instrumentów są skalpele, igły podskórne i sztuczne rozruszniki serca. Na przykład producenci urządzeń medycznych projektują swoje procesy sterylizacji tak, aby zapewnić wyjątkowo niski poziom SAL. Ich urządzenia „jeden na milion” powinny być niesterylne.

Jest to również niezbędne przy wytwarzaniu farmaceutyków pozajelitowych. Przygotowanie leków do wstrzykiwań i roztworów dożylnych do płynoterapii zastępczej wymaga nie tylko wysokiego poziomu zapewnienia sterylności, ale również dobrze zaprojektowanych pojemników, które zapobiegają przedostawaniu się środków ubocznych po wstępnej sterylizacji produktu.

Konserwowanie żywności to kolejna dziedzina, w której bierze się pod uwagę obecność mikroorganizmów. Proces ten zwykle obejmuje zapobieganie rozwojowi bakterii, grzybów (takich jak drożdże) i innych mikroorganizmów (chociaż niektóre metody działają poprzez wprowadzanie do żywności łagodnych bakterii lub grzybów).


6.12.1: Rozważania dotyczące kontroli drobnoustrojów — biologia

DUBLIN--(BUSINESS WIRE)--14 czerwca 2021--

Ten kurs nauczy Cię o różnych kluczowych elementach zapewniania sterylności i kontroli zanieczyszczeń, takich jak przepisy dotyczące pomieszczeń czystych, klasyfikacja, źródła i rodzaje cząstek, wymagania projektowe, walidacja/kwalifikacja, operacje, wymagania programu monitorowania środowiska, badania wycieczek, trendy danych, procesy mikrobiologiczne/ metodologia, Czyszczenie/dezynfekcja pomieszczeń czystych.

Rodzaje drobnoustrojów, typowe kroki łagodzące w celu zapewnienia skutecznej kontroli zanieczyszczenia poprzez szkolenie personelu (praktyki aseptyczne, zachowanie w pomieszczeniach czystych i procedury kontroli zanieczyszczenia), kontrole ubioru, szkolenia personelu, handel w pomieszczeniach czystych (praktyki personelu w pomieszczeniach czystych, transfer produktów i sprzętu oraz Omówione zostaną również szkolenia (polityka wjazdu i wyjazdu), ubiór do pomieszczeń czystych, kontrola zanieczyszczeń, program czyszczenia i dezynfekcji oraz podstawy procesów sterylizacji – procesy fizyczne i chemiczne.

Wśród wymagań różnych organów regulacyjnych, takich jak 21 CFR Part 211 (głównie istotne 211.113 „Kontrola skażenia mikrobiologicznego”, ISO 14644 (różne części), FDA Guidance for Industry: Sterylne produkty lecznicze wytwarzane w procesie aseptycznym – aktualna dobra praktyka produkcyjna”) inne oraz krytyczność przetwarzania aseptycznego i inne kluczowe osoby oceniające kontrolę zanieczyszczeń podczas wytwarzania i testowania produktów są ważne dla określenia jakości i uwalniania gotowych wytworzonych produktów.


Narzędzia do analizy mikrobiomu

W ciągu ostatniej dekady stało się niezwykle jasne, że mikrobiom jest krytycznym czynnikiem zdrowia i chorób człowieka, dlatego należy go zbadać w celu opracowania innowacyjnych strategii leczenia. Dziedzina metagenomiki przeszła długą drogę w wykorzystywaniu postępów w technologiach sekwencjonowania nowej generacji, co umożliwiło identyfikację i ilościowe określenie wszystkich mikroorganizmów obecnych w próbkach ludzkich. Jednak dziedzina metagenomiki jest wciąż w powijakach, szczególnie w odniesieniu do ograniczeń w analizie obliczeniowej, ocenach statystycznych, standaryzacji i walidacji ze względu na ogromną zmienność samych kohort, projektowanie eksperymentów i przepływy pracy bioinformatycznej. Niniejszy przegląd podsumowuje metody, technologie, narzędzia obliczeniowe i systemy modelowe do charakteryzowania i badania mikrobiomu. Omawiamy również ważne rozważania, które badacze muszą poczynić podczas badania udziału mikrobiomu w zdrowiu i chorobie w celu ustalenia solidnych wyników i spostrzeżeń mechanistycznych przed przejściem do projektowania terapii i interwencji.

Słowa kluczowe: Analiza danych Metagenomika Wizualizacja mikrobiomu.

Figury

Technologie do badania mikrobiomu

Technologie do badania mikrobiomu

Podejście „przy łóżku, na ławce i z powrotem do łóżka” do badania mikrobiomu


Biologia syntetyczna dla mikrobiologicznych bioczujników metali ciężkich

Wykorzystując technologię rekombinacji DNA, opracowano różne bioczujniki całych komórek do wykrywania zanieczyszczeń środowiska, w tym jonów metali ciężkich. Bioczujniki pełnokomórkowe mają kilka zalet: łatwa i niedroga hodowla, wiele testów i brak konieczności stosowania specjalnych technik analizy. W erze biologii syntetycznej najnowocześniejsze technologie sekwencjonowania DNA i syntezy genów przyspieszyły rozwój bioczujników komórkowych. Tutaj podsumowujemy obecne postępy technologiczne w zakresie bioczujników pełnokomórkowych metali ciężkich, w tym syntetyczne komponenty biologiczne (bioczęści), moduły czujnikowe i reporterowe, obwody genetyczne i komórki podwozia. Omówimy kilka możliwości ulepszenia syntetycznych bioczujników opartych na komórkach. Po pierwsze, w bazach danych genomu muszą zostać odkryte nowe moduły funkcjonalne, a wiedza ta musi zostać wykorzystana do ulepszenia określonych bioczęści za pomocą inżynierii molekularnej. Po drugie, moduły muszą być połączone w funkcjonalne biosystemy w komórkach podwozia. Po trzecie, należy wyeliminować heterogeniczność poszczególnych komórek w populacji drobnoustrojów. W perspektywie rozwój biosensorów pełnokomórkowych jest również omawiany w aspekcie metod hodowli i komórek syntetycznych.

To jest podgląd treści subskrybowanych, dostęp za pośrednictwem Twojej instytucji.


2 WYZWANIA W CHARAKTERYZACJI MIKROBIOLOGICZNEJ RÓŻNORODNOŚCI FUNKCJONALNEJ

2.1 Ogólna koncepcja różnorodności funkcjonalnej

Funkcjonalne podejścia do szacowania bioróżnorodności opierają się na ogólnym założeniu, że aby zrozumieć związek między bioróżnorodnością a funkcjonowaniem ekosystemów, funkcje realizowane przez organizmy w systemach naturalnych są bardziej interesujące niż ich tożsamość. Termin „różnorodność funkcjonalna” jest szeroko stosowany, ale większość badań opiera się po prostu na domniemanym intuicyjnym zrozumieniu znaczenia tego terminu, a zatem nie ma jednolitej definicji, szczególnie w ekologii drobnoustrojów (Tabela S1, Petchey i Gaston, 2006). Carmona, de Bello, Mason i Lepš (2016) przedstawili prostą i operacyjną definicję różnorodności funkcjonalnej jako „zmienność cech między organizmami”, która jest „szacowana jako zmienność cechy w funkcjonalnej przestrzeni zajmowanej przez jednostka ekologiczna”. Tutaj pojawiają się dość niejednoznaczne pojęcia o kluczowym znaczeniu dla określenia funkcjonalnej różnorodności drobnoustrojów, jednostki ekologicznej i cechy funkcjonalnej.

Jednostka ekologiczna odpowiada dowolnej skali, w której sensowne jest oszacowanie różnorodności funkcjonalnej, takiej jak pojedyncze organizmy, populacje, gatunki (lub OTU), społeczności, meta-społeczności, regiony geograficzne i kontynenty (Carmona i in., 2016). W przypadku makroorganizmów wybraną jednostką ekologiczną jest często zbiorowisko, a jego funkcjonalną różnorodność można oszacować, biorąc pod uwagę zasięg, rozmieszczenie i zmienność cech niesionych przez zawarte w nim gatunki lub średnie wartości cech w obrębie gatunku (tj. cechy). Niezależnie od wybranej jednostki ekologicznej, obecnie powszechnie uważa się, że konceptualizowanie, definiowanie, mierzenie, a ostatecznie zrozumienie różnorodności funkcjonalnej zależy od pomiaru cech funkcjonalnych (Mlambo, 2014 Petchey & Gaston, 2006), a termin „ekologia funkcjonalna” należy zastąpić bardziej precyzyjnym terminem „ekologia oparta na cechach” (Shipley i in., 2016). Powszechnie stosowana definicja cech funkcjonalnych opisuje te, które „wpływają na sprawność organizmu poprzez wpływ na wzrost, reprodukcję lub przeżycie” (Violle i in., 2007). Ta definicja i jej nowsze odmiany (Carmona et al., 2016 Violle et al., 2017 ) stwierdzają, że cechy funkcjonalne powinny być mierzalne na poziomie indywidualnym, co rzadko jest opcją dla mikroorganizmów. Podczas gdy cechy ilościowe (np. powierzchnia liści, cechy morfologiczne) są mierzone na poziomie osobnika, a następnie uśredniane w celu oszacowania wartości cechy dla gatunku, cechy jakościowe (np. fenologiczne lub behawioralne) są częściej szacowane na poziomie gatunku. Podejście to tworzy macierze cech taksonów, które przedstawiają funkcjonalne atrybuty taksonów, które są następnie łączone z macierzami taksonów reprezentującymi skład zbiorowisk w celu oszacowania funkcjonalnego zróżnicowania zbiorowisk za pomocą wskaźników ad hoc (Mouchet, Villéger, Mason i Mouillot). , 2010 Villéger, Mason i Mouillot, 2008 ).

Podsumowując, podejścia funkcjonalne wykorzystują cechy do opisania roli jednostek ekologicznych w funkcjonowaniu systemów przyrodniczych. W kolejnych sekcjach zobaczymy, dlaczego definicje różnorodności funkcjonalnej i cech funkcjonalnych stosowane obecnie w ekologii makrobiologicznej nie pasują do specyfiki świata drobnoustrojów i jakie aspekty należy wziąć pod uwagę, aby poprawić naszą zdolność do charakteryzowania funkcji drobnoustrojów. różnorodność.

2.2 W kierunku podejścia opartego na cechach różnorodności funkcjonalnej drobnoustrojów

2.3 Różnice między mikro- i makroorganizmami w kontekście funkcjonalnym i ograniczenia obecnych ram teoretycznych

Istnieje kilka koncepcji, które odnoszą się do bioróżnorodności i zależności funkcjonalnych zarówno w ekologii makro-, jak i mikrobiologicznej. Na przykład, pozytywny wpływ bioróżnorodności na funkcjonowanie ekosystemu jest zwykle przypisywany dwóm niewyłącznym mechanizmom, selekcji (lub próbkowaniu) i efektom komplementarności (Cardinale i in., 2006 Loreau, Mouquet i Gonzalez, 2003 Loreau i in., 2001 ). Mówiąc prościej, efekt selekcji odzwierciedla wpływ pojedynczego hiperkonkurencyjnego gatunku na ogólną funkcję społeczności, podczas gdy efekt komplementarności zależy od obecności gatunków o cechach komplementarnych i wynika z podziału zasobów lub ułatwień między nimi. Obie koncepcje odnoszą się bezpośrednio do faktu, że cechy organizmów decydują o ich wpływie na badany proces ekologiczny.

Istnieją jednak wyraźne różnice między mikro- i makroorganizmami, które uniemożliwiają bezpośredni transfer teorii i koncepcji ekologicznych. Należą do nich małe rozmiary pojedynczych drobnoustrojów, które przyczyniają się do ich większej wrażliwości na zmiany środowiskowe, ich szybsze tempo metabolizmu i wzrostu, ale także kolonialny wzrost drobnoustrojów, który jest przeciwny jednolitej budowie większości makroorganizmów (Plante, 2017 ). Oprócz tych ogólnych rozważań, ekologia funkcjonalna drobnoustrojów stoi przed kilkoma poważnymi wyzwaniami, które uniemożliwiają bezpośrednie zastosowanie koncepcji i metod opracowanych dla makroorganizmów.

Gatunek lub jednostka OTU jest również problematyczna, ponieważ wymaga biblioteki dopasowującej cechy do genów lub OTU i pomija zmienność wewnątrzgatunkową. Większość drobnoustrojów ważnych dla środowiska nie została jeszcze wyhodowana, a większość cech funkcjonalnych można zweryfikować jedynie przy użyciu taksonów, które można hodować. W związku z tym dostępne są ograniczone informacje fizjologiczne, fizyczne i metaboliczne do oceny różnorodności funkcjonalnej poszczególnych taksonów (Schnoes, Brown, Dodevski i Babbitt, 2009 Turaev i Rattei, 2016), a wnioskowanie funkcji z taksonomii/filogenezy może dotyczyć tylko wyspecjalizowanych i dobrze zachowane funkcje, takie jak metanogeneza (Goberna i Verdú, 2016). Istnienie HGT (Polz et al., 2006 ) oraz słabo zdefiniowana koncepcja gatunku prokariotycznego (Gevers et al., 2005 ) jeszcze bardziej utrudniają takie powiązanie. Opierając się na cechach metabolicznych lub fizjologicznych mierzonych u taksonów hodowlanych, wiele z tych cech różni się w zależności od taksonu, a dla większości funkcji istnieje niewielka lub żadna rozdzielczość taksonomiczna (Louca i in., 2018 Martiny i in., 2015 ). Podejście funkcjonalne, zwłaszcza w przypadku drobnoustrojów, rozwiązuje problem powiązań takson-cech poprzez ocenę społeczności jako wielowymiarowego i ciągłego rozkładu cech. W ten sposób można by scharakteryzować zbiorowiska za pomocą częstotliwości występowania różnych wartości cech i zapomnieć o różnorodności taksonomicznej.

Kolejne wyzwanie przedstawia fundamentalne różnice w charakterze mierzonych cech. Rzeczywiście, cechy makroorganizmów są często konstytutywne, to znaczy stale wyrażane i istnieją w ekosystemie tak długo, jak organizm żyje (np. kształt liścia rośliny lub wielkość pyska ryby). Chociaż może to również mieć miejsce w przypadku drobnoustrojów, na przykład w komórkach bakteryjnych, które posiadają pilusy lub organizmy fitoplanktonowe z twardą skorupką, ekspresja cech drobnoustrojów wydaje się być bardziej bezpośrednio związana z ich środowiskiem. Rzeczywiście, związek między genotypem a fenotypem jest węższy u drobnoustrojów niż u makroorganizmów (Dutilh et al., 2013 Tamura & D'haeseleer, 2008). W związku z tym wiele cech drobnoustrojów jest regulowanych genetycznie (np. szlaki metaboliczne, tworzenie biofilmu i zjadliwość), a ich indukcja zależy od wielkości populacji, aktywności komórek i warunków środowiskowych.

Pomimo wspomnianych powyżej ograniczeń, drobnoustroje prawdopodobnie stanowią najlepszy system do zastosowania podejść funkcjonalnych. Z jednej strony definiowanie gatunków jest kontrowersyjne, jeśli nie niemożliwe z powodu transferów genów i rozmnażania bezpłciowego, różnorodność jest zdumiewająca, a ograniczenia w próbkowaniu utrudniają pomiar cech i funkcji. Z drugiej strony, nadmiarowość funkcjonalna jest powszechna, względna prostota fizjologii drobnoustrojów ułatwia mapowanie genów do funkcji, a nowatorskie metody sekwencjonowania umożliwiają dokumentację wielu genów jednocześnie. Podejście funkcjonalne może zatem wydawać się rozwiązaniem, które pozwoli zmniejszyć złożoność systemów mikrobiologicznych i lepiej zrozumieć ich funkcjonowanie. Warto zauważyć, że dziedzina ekologii funkcjonalnej drobnoustrojów jest całkiem nowa i nie jest powszechne stosowanie miar różnorodności funkcji w celu scharakteryzowania społeczności drobnoustrojów.


Pestycydy mikrobiologiczne

Pestycydy mikrobiologiczne: zasoby biologiczne, produkcja i zastosowanie zapewnia zwięzłe i przystępne wprowadzenie do historii pestycydów mikrobiologicznych, ich wpływu na światową ekologię, społeczeństwo ludzkie i gospodarkę, a także dokładny i namacalny opis najnowocześniejszych technologii dostępnych do produkcji, stosowania, ograniczeń oraz długoterminową żywotność tych bioproduktów. Informacje są wymienione według grup biologicznych (tj. wirusów, bakterii, grzybów, pierwotniaków, mikrosporydów i metabolitów drobnoustrojów) i są poparte rzetelnymi danymi naukowymi. Książka jest bogato ilustrowana oryginalnymi zdjęciami wyjaśniającymi najpopularniejsze techniki i protokoły stosowane w technologii biokontroli mikrobiologicznej.

Wreszcie, obrazy wszystkich biologicznie czynnych składników obecnie stosowanych w preparatach produkowanych komercyjnie, jak również preparatach opracowanych laboratoryjnie, są zilustrowane i wymienione w szczegółowych tabelach w celu szybkiego dostępu.

Pestycydy mikrobiologiczne: zasoby biologiczne, produkcja i zastosowanie zapewnia zwięzłe i przystępne wprowadzenie do historii pestycydów mikrobiologicznych, ich wpływu na światową ekologię, społeczeństwo ludzkie i gospodarkę, a także dokładny i namacalny opis najnowocześniejszych technologii dostępnych do produkcji, stosowania, ograniczeń oraz długoterminową rentowność tych bioproduktów. Informacje są wymienione według grup biologicznych (tj. wirusów, bakterii, grzybów, pierwotniaków, mikrosporydów i metabolitów drobnoustrojów) i są poparte rzetelnymi danymi naukowymi. Książka jest bogato ilustrowana oryginalnymi zdjęciami wyjaśniającymi najpopularniejsze techniki i protokoły stosowane w technologii biokontroli mikrobiologicznej.

Wreszcie, obrazy wszystkich biologicznie czynnych składników obecnie stosowanych w preparatach produkowanych komercyjnie, a także preparatach opracowanych w laboratorium, są zilustrowane i wymienione w szczegółowych tabelach w celu szybkiego dostępu.


Rola mikrobiomu w ewolucji żywiciela

W ostatniej dekadzie byliśmy świadkami poważnej zmiany paradygmatu w naukach przyrodniczych: uznanie, że mikrobiom, czyli zespół mikroorganizmów związanych ze zdrowymi zwierzętami (w tym ludźmi) i roślinami, odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu zdrowia i sprawności jego gospodarz. Dzięki szybkim postępom w technologiach sekwencjonowania i metodach analitycznych osiągnięto znaczne postępy zarówno w identyfikacji taksonów drobnoustrojów, jak i w zrozumieniu związku między składem mikrobiomu a fenotypem gospodarza. Te przełomowe odkrycia prowadzą do nowych strategii poprawy zdrowia ludzi i zwierząt, zwiększenia plonów i jakości odżywczej oraz zwalczania różnych szkodników i czynników chorobotwórczych.

Ten artykuł jest częścią numeru tematycznego „Rola mikrobiomu w ewolucji gospodarza”.

1. Wstęp

Coraz częściej społeczność naukowa zaczyna zadawać różne – i trudniejsze – pytania dotyczące podstaw interakcji gospodarz-mikrobiom i ich ewolucyjnych konsekwencji. To zwróciło uwagę na poważną lukę w naszym zrozumieniu: rolę mikrobiomu w ewolucji gospodarza. W środowisku naukowym panuje prawdziwe zamieszanie, w tym obawy, że tradycyjna teoria ewolucyjna może być niewystarczająca do wyjaśnienia procesów ewolucyjnych z udziałem mikrobiomów oraz niepewność co do najlepszego wyboru systemu i podejścia do badania wzorców i procesów z perspektywy ewolucyjnej. Opinie są zróżnicowane i często spolaryzowane.

Nasz cel w tym numerze tematycznym jest dwojaki: zapewnienie przeglądu aktualnego stanu dziedziny zarówno dla badacza, nauczyciela, jak i ucznia oraz zainicjowanie nowych pomysłów i badań, w tym bardzo potrzebnej współpracy interdyscyplinarnej w celu rozwiązania wielu nierozstrzygniętych problemów. Naszym uzasadnieniem jest to, że perspektywa ewolucyjna promuje zrozumienie biologicznych mechanizmów interakcji gospodarz-drobnoustroje, dostarczając wyjaśnień dla wzorców odkrytych za pomocą różnych podejść dyscyplinarnych, takich jak genetyczne, fizjologiczne, behawioralne lub ekologiczne. Taka perspektywa może wyjaśniać, na przykład, dlaczego niektóre rodzaje interakcji występują i powracają, podczas gdy inne są rzadkie lub najwyraźniej nieobecne na całym świecie, w określonych taksonach gospodarzy lub w określonych warunkach ekologicznych. Na przykład ochrona przed patogenami za pośrednictwem mikrobiomu jest bardzo rozpowszechniona zarówno u zwierząt, jak i roślin, podczas gdy archeowce inne niż metanogeny są najwyraźniej rzadko związane z eukariotami, a pożyteczne bakterie wewnątrzkomórkowe są w dużej mierze nieznane u kręgowców, ale szeroko rozpowszechnione w wielu grupach zwierząt bezkręgowców. Równie ważne jest zrozumienie ewolucyjne, które może pomóc uczynić naukę mikrobiomu bardziej przewidywalną: drobiazgowe badania, które pokazują, w jaki sposób zmiana lub eliminacja mikrobiomu wpływa na cechy gospodarza, na przykład wymagają ram ekoewolucyjnych, które wyjaśnią te odkrycia w szerszym kontekście i pomogą we wnioskowaniu mechanizmów i procesów. Rozważenie na przykład, w jaki sposób gospodarze przystosowali się do przystosowania się lub polegania na mikrobiomie oraz konsekwencje dla fenotypu i trajektorii ewolucyjnej gospodarza, może wyjaśnić inne zagadkowe zjawiska, od bielenia koralowców po działanie antybiotyków. W miarę jak nasza nauka staje się bardziej przewidywalna, jej zastosowanie do rozwiązywania rzeczywistych problemów stanie się bardziej niezawodne. Dokonano już kilku ważnych odkryć, w tym uchwały Clostridium difficile infekcje u pacjentów ludzkich przez niektóre bakterie jelitowe, tłumienie Aedes wirus dengi przenoszony przez komary przez Wolbachia bakterie i tolerancję roślin na wysokie temperatury powodowane przez endofity grzybów. Można to najlepiej zrozumieć w kontekście ekoewolucyjnym: systematyczne stosowanie zasad ewolucyjnych w mikrobiomach ma potencjał, aby umożliwić transformacyjne postępy w medycynie, rolnictwie i zdrowiu publicznym.

Ten tom zawierający 15 recenzji i opinii zawiera spostrzeżenia i ekspertyzy 36 autorów z sześciu krajów. Koncepcyjnie artykuły można przypisać do dwóch szerokich tematów. Pierwszy wątek dotyczy wpływu mikrobiomu na cechy i przystosowanie gospodarza, ujawniając zarówno wszechobecną rolę mikrobiomu jako selektywnej siły na gospodarzy, jak i modalności adaptacji gospodarza do wyzwań środowiskowych. Drugi temat dotyczy procesu ewolucyjnego w skali od mikroewolucji w populacjach żywiciela do filogenezy makroewolucyjnej. Przekraczając te dwie tematy, niektóre artykuły skupiają się na konkretnych systemach, m.in. ludzie, koralowce, ryby, podczas gdy inni czerpią z literatury dotyczącej wielu systemów zwierzęcych i roślinnych lub badają ogólne zasady ewolucyjne bez odniesienia do konkretnych taksonów.

Wydanie rozpoczyna się od dwóch artykułów, które podkreślają fundamentalne procesy ewolucyjne. Po pierwsze Kolodny i Schulenberg [1] traktują mikrobiom jako źródło adaptacyjnej plastyczności fenotypowej. Sugerują, że gospodarze w obliczu nowego wyzwania środowiskowego mogą przystosować się do tego wyzwania poprzez zmiany w składzie swojego mikrobiomu. Taka adaptacja jest analogiczna do dobrze znanego efektu Baldwina, ale dodatkowo obejmuje sprzężenia zwrotne i dynamikę ekoewolucyjną, które rozgrywają się w różnych skalach czasowych, ukazując bogaty obraz procesów adaptacyjnych. Poniższy przegląd autorstwa Moellera i Sandersa [2] rozwija ten temat, skupiając się szczególnie na tym, jak efekty mikrobiomu ukształtowały i prawdopodobnie nadal kształtują ewolucję ssaków.

Dzięki tym ramom koncepcyjnym tom bada adaptacyjną reakcję gospodarzy na mikrobiom z różnych perspektyw. Trzy artykuły dotyczą systemów fizjologicznych gospodarza, które oddziałują bezpośrednio z mikrobiomem. Najważniejszym etapem we wszelkich rozważaniach dotyczących interakcji między gospodarzem a mikrobiomem jest układ odpornościowy gospodarza, który zarówno kontroluje, jak i jest pod wpływem partnerów drobnoustrojów. Gerardo, Hoang i Stoy [3] przeglądają sposoby, w jakie układ odpornościowy oddziałuje z symbiontami drobnoustrojów oraz w jaki sposób procesy immunologiczne mogą ograniczać ewolucję uczestniczących organizmów. W uzupełniającym artykule opinii McLarena i Callahana [4] stwierdza się, że gospodarze są przystosowani do promowania taksonów drobnoustrojów, które nadają odporność na patogeny, generując to, co autorzy trafnie nazywają „odpornością kooperacyjną”. Interakcję między metabolizmem gospodarza a mikrobiomem rozważają Fontaine i Kohl [5], którzy badają wartość myślenia optymalności, w szczególności symmorfozy, która stawia hipotezę, że metabolizm gospodarza jest ustrukturyzowany przez dobór naturalny, aby odpowiadał funkcjonalnym wymaganiom związku. Opierając się na aktualnym zrozumieniu interakcji żywieniowych między różnymi zwierzętami i ich mikrobiomem, autorzy ci przewidują specyficzne testowalne wzorce presji selekcyjnych dla zależnej od mikrobiomu regulacji funkcji metabolicznej gospodarza. Rozważania te prowadzą bezpośrednio do artykułu Grieneisena, Muehlbauera i Blekhmana [6], w którym dokonano przeglądu wzorców mikrobiologicznej kontroli ekspresji genów u naczelnych i jej implikacji dla ewolucji naczelnych i człowieka.

Istnieje coraz więcej dowodów na rozwojową orkiestrację składu i funkcji mikrobiomu, co odzwierciedla zmienność presji selekcyjnej i ograniczeń ewolucyjnych na różnych etapach życia gospodarza. W związku z pojawiającym się zainteresowaniem interfejsem między mikrobiomami a teorią historii życia, dwa artykuły w tym numerze skupiają się na mikrobiomie związanym z dwoma kluczowymi etapami życia. Nyholm [7] dokonuje przeglądu częstości występowania i konsekwencji interakcji jajo-mikrobiom u zwierząt. Do niedawna większość mikroorganizmów związanych z jajami opisywano jako biologicznie „ciche” stadium transmisji, zapewniające kolonizację nowo wyklutego potomstwa drobnoustrojami matczynymi. Nyholm wzywa do radykalnej ponownej oceny adaptacyjnej ewolucji jaj w świetle rosnących dowodów na to, że mikroorganizmy związane z jajami mogą chronić jajo przed stresami abiotycznymi i naturalnymi wrogami (zarówno drapieżnikami, jak i patogenami). Na drugim końcu życia zwierząt, Popkes i Valenzano [8] podsumowują ustalenia dotyczące wpływu mikrobiomu na przeżycie wraz ze starzeniem się organizmów, wykorzystując w szczególności spostrzeżenia z ostatnich badań kręgowców i ich mikrobiomów oraz omawiają związane z tym mechanizmy i sposoby w którym mogło to wpłynąć na ewolucję gospodarza i dynamikę koewolucji między gospodarzem a mikrobiomem. Rozwojowa orkiestracja relacji gospodarz-mikrobiom obejmuje również lokalizację mikrobiomu, w tym adaptacje gospodarza, które ograniczają mikroorganizmy do określonych narządów lub miejsc w ciele. Chomicki, Werner, West i Kiers [9] dokonują przeglądu różnych sposobów kompartmentalizacji mikrobiomu u roślin, owadów i kręgowców i omawiają, w jaki sposób umożliwia to gospodarzowi kontrolowanie przepływu zasobów, odróżnianie współpracujących partnerów drobnoustrojowych i manipulowanie składem mikrobiomu . Rozważając koszty i korzyści z kompartmentalizacji, badacze badają różne presje selekcyjne, które mogły decydować o tym, u których gospodarzy doszło do kompartmentalizacji, a u których nie. Jedna z form kompartmentalizacji obejmuje narządy symbiotyczne, tj. narządy, których jedyną funkcją jest przechowywanie i utrzymywanie partnerów drobnoustrojów. Douglas [10] przyjmuje ewolucyjne podejście rozwojowe (evo-devo), aby zbadać, w jaki sposób biologia rozwojowa narządów symbiotycznych może dostarczyć wglądu w ich ewolucyjne pochodzenie, i opowiada się za szerszym wykorzystaniem technologii genetycznych w celu sprawdzenia, czy zachowane obwody genetyczne mogą leżeć u podstaw pozornie zbieżna ewolucja organów symbiotycznych w różnych liniach gospodarzy.

Możliwy wpływ mikrobiomu na zachowanie przyciągnął wiele uwagi i do niedawna więcej spekulacji niż danych. W miarę gromadzenia dowodów na behawioralne korelaty obecności i składu mikrobiomu, perspektywa ewolucyjna staje się koniecznością. Na szczęście dobrze ugruntowana dyscyplina ekologii behawioralnej zapewnia solidne ramy koncepcyjne. W tym numerze znalazły się dwa stymulujące i prowokacyjne artykuły opiniotwórcze, które ilustrują możliwości interdyscyplinarnej syntezy między badaniami mikrobiomu a ekologią behawioralną. Gurevich, Lewin-Epstein i Hadany [11] opracowali teoretyczny model wpływu mikrobiomu na opiekę ojcowską, w tym konsekwencje manipulacji za pośrednictwem mikrobiomu zachowania gospodarza na strategie kojarzenia i rodzicielstwa samców gospodarzy. Natan, Fitak, Werber i Vortman [12] sugerują, że informacje, które gospodarze czerpią z bakterii magnetotaktycznych w swoich mikrobiomach, mogą być odpowiedzią na odwieczną zagadkę: jak zwierzęta, od protistów po ptaki, wyczuwają pola magnetyczne? They lay out supporting evidence for this suggestion, and they discuss various specific mechanisms by which hosts might incorporate information from resident magnetotactic microbes.

The closing articles of the issue return to the theme of how the microbiome affects pattern and process in host evolution. Two articles focus on specific systems. Hawkes, Bull & Lau [13] reinforce and build on the several articles that address the evolutionary consequences of microbiomes with defensive function. Focusing on plants, they explore the micro-evolutionary consequences of microbiomes that confer protection against both pathogens and abiotic stress, including an analysis of the impact of host–microbial partner fidelity on the evolutionary trajectory of these relationships. The article by van Oppen & Medina [14] on scleractinian corals illustrates how genome sequence data can shed light on the genetic basis of interactions with bacterial and algal partners and the ecological success of these associations. Finally, Koskella & Bergelson [15] address a pressing question facing the study of microbiome effects on host evolution: can these complex and dynamic associations be accommodated within current understanding of evolutionary and coevolutionary processes? This article reviews current understanding of (co)evolution between hosts and microbiomes, including the patterns of selection on the partners, as individuals and a group, and provides a fresh and informed perspective on this hotly debated issue.

Together, the articles in this issue demonstrate the key opportunities and challenges that an evolutionary perspective can offer to researchers in the discipline of microbiome science. Evolutionary thinking provides the basis for rational explanation and prediction in biology, and it is most powerful when combined with explicit formulation of testable hypotheses. Our discipline is most fortunate to have access to a broad range of genetic, phylogenetic, physiological, behavioural and ecological methodologies. These tools and an evolutionary mindset offer the strongest route for scientific advance in our understanding and application of host–microbiome interactions.


Principles of Vaccination

While many of the currently available vaccines have been developed empirically, with limited understanding on how they activate the immune system and elicit protective immunity, the recent progress in basic sciences like immunology, microbiology, genetics, and molecular biology has fostered our understanding on the interaction of microorganisms with the human immune system. In consequence, modern vaccine development strongly builds on the precise knowledge of the biology of microbial pathogens, their interaction with the human immune system, as well as their capacity to counteract and evade innate and adaptive immune mechanisms. Strategies engaged by pathogens strongly determine how a vaccine should be formulated to evoke potent and efficient protective immune responses. The improved knowledge of immune response mechanisms has facilitated the development of new vaccines with the capacity to defend against challenging pathogens and can help to protect individuals particular at risk like immunocompromised and elderly populations. Modern vaccine development technologies include the production of highly purified antigens that provide a lower reactogenicity and higher safety profile than the traditional empirically developed vaccines. Attempts to improve vaccine antigen purity, however, may result in impaired vaccine immunogenicity. Some of such disadvantages related to highly purified and/or genetically engineered vaccines yet can be overcome by innovative technologies, such as live vector vaccines, and DNA or RNA vaccines. Moreover, recent years have witnessed the development of novel adjuvant formulations that specifically focus on the augmentation and/or control of the interplay between innate and adaptive immune systems as well as the function of antigen-presenting cells. Finally, vaccine design has become more tailored, and in turn has opened up the potential of extending its application to hitherto not accessible complex microbial pathogens plus providing new immunotherapies to tackle diseases such as cancer, Alzheimer's disease, and autoimmune disease. This chapter gives an overview of the key considerations and processes involved in vaccine development. It also describes the basic principles of normal immune respoinses and its their function in defense of infectious agents by vaccination.

Słowa kluczowe: B cell Immunology Infectious disease Pathogen T cell Vaccination Vaccine.


Predictive interactome modeling for precision microbiome engineering

Accounting for context-dependent alterations in microbial interaction networks is key for accurate microbiome modeling.

Integration of multi-omics data into predictive interactome modeling enables precision microbiome engineering.

Combining process-based/data-driven modeling with ecological theory is important for future advances.

Microbiome engineering aims to manipulate, control, and design community-level properties through targeted interventions of existing microbial communities or the construction of new synthetic consortia. These efforts often lead to unexpected or undesirable outcomes because of highly complex input-output relationships that are primarily ascribable to adaptive responses of interspecies interactions to perturbation. Therefore, accurate prediction of microbial interaction networks and context-specific organization will aid success in future microbiome engineering efforts. Here, we review state-of-the-art modeling approaches to evaluate their scope of prediction as w silico tools for microbiome design. We highlight the utility of advanced models for predicting context-dependent interactions, multi-omics data integration, and combined use of complementary modeling and computational tools for enhanced prediction and eventual facilitation of w silico microbiome design.


Wnioski

Like existing molecular epidemiology technologies, the translation of population studies of the human microbiome will require complex processes in order to achieve observational discovery, reproducibility across cohorts, and mechanistic validation (typically in models or in vitro). To date, a small number of studies have achieved this goal. For example, combining mouse models with a small cohort of 20 human subjects, Haiser and colleagues [111] built on decades of work linking Eggerthella lenta to inactivation of digoxin [112] to identify an operon that is expressed in a strain-specific manner in a subset of human microbiome carriers. As a further example, it has been shown that early-life exposure to distinct forms of taxon-specific lipopolysaccharide correlate with immune development and type 1 diabetes (T1D) risk, a result that was subsequently confirmed in mouse models (Box 5) [16]. Finally, in Clostridium difficile infection, models linking antibiotic exposure to bacterial species that are responsible for secondary bile acid synthesis in the gut have been successful in reducing recurrence [113]. In each of these cases, a combination of human population surveys with appropriate statistical modeling and mechanistic follow-up was able to identify specific bioactive microbes and, often, molecules. Further examples are emerging, particularly in the area of cancer immunotherapy, which can be dramatically modulated by the microbiome [114].

One of the outstanding gaps in translational population-scale microbiome studies is the lack of frameworks integrating host and microbiome functional properties at scale. For example, functional profiling of microbiome metagenomes and metatranscriptomes might be combined with cell-circuit reconstructions of immune cell subsets [115] and with electronic medical records for precision medicine. At the methodological level, few profiles of the microbiome have been carried out with scale and precision appropriate for advanced machine-learning tools such as causal inference and mediation analysis. Indeed, it is not yet clear which covariates should be collected to disambiguate cause from effect in the highly modifiable microbiome, particularly to facilitate risk-prediction models or clinical decision-making tools incorporating microbiome profiles. The microbiome has shown a remarkable combination of long-term persistence (e.g., strain retention for months or years [41, 116, 117]) with modifiability by a wide range of environmental factors (diet, pharmaceuticals, physical activity, age, and so on), making population structure and unobserved confounders a risk in large cohort studies.

Finally, human population studies provide a starting point for the follow-up characterization of microbial biochemical mechanisms, which can integrate characterization techniques such as culture-based physiology, microbial metabolism, co-culture, and interactions. Several of the most successful translational microbiome studies to date have—as in other areas of molecular epidemiology—begun with a population-level observation that was, eventually, traced back to one or more specific molecular mechanisms. In the case of the microbiome, this provides unique opportunities not only for prioritization of novel human drug targets, but also for the modulation of microbial activities by small molecules, diet or prebiotics, targeted probiotics, or engineered microbes or communities. To achieve these goals, studies of the microbiome must continue to refine the multiomic tools in the setting of population-scale epidemiology with rich study designs that can fully realize the therapeutic and diagnostic potential of the microbiome.

Box 5. An integrative analysis of longitudinal microbiome multiomics: the DIABIMMUNE study

The DIABIMMUNE (Pathogenesis of Type 1 Diabetes—Testing the Hygiene Hypothesis) [118] study of the microbiome in the development of infant type 1 diabetes (T1D) is one example that incorporates many of the aspects of microbiome epidemiology discussed here. The DIABIMMUNE cohort includes newborn infants with genetic susceptibility to autoimmune disorders who were followed for 3 years with monthly stool sampling and collection of phenotype data through serum samples and questionnaires. This design was constructed to enable multiple types of microbiome analyses, such as tracking the longitudinal trajectories of the developing microbiomes, studying the implications of common early-life events (e.g., birth mode, weaning, introduction of solid foods, antibiotic courses) and case–control comparison between diseased and healthy children.

One of the study’s first analyses of the gut microbiome focused on early-life colonization and the development of islet autoimmunity and T1D [1]. The sub-cohort included four children with early onset T1D, seven children with T1D-associated autoantibodies, and 22 healthy controls. All subjects provided monthly stool samples, regardless of disease status, yielding a detailed view of microbiome structure and function during early development (including the transition to solid food). Strains in particular were subject-specific and retained for substantial periods of time, even during this active developmental window. In an early example of multiomic data integration, a subset of 214 serum and 104 stool samples were also profiled using untargeted mass spectrometry techniques, allowing covariation between metabolites and microbial taxa to be assessed statistically.

Another analysis within this study followed neonates from Finland, Estonia, and Russia, motivated by the disparate autoimmune prevalence between these three countries [16]. This began with 16S amplicon sequencing of > 1500 stool samples from 222 infants (74 per country), allowing the assessment of broad trends in microbiome development over time. These initial amplicon data were then used to select a representative set of 785 stool samples for metagenomic sequencing, which enabled deeper analyses including taxonomic and functional profiling, and strain tracking. All of these features were then amenable to linear mixed-effect modeling in order to identify aspects of the gut microbiome that covaried with phenotypes such as age, geography, early feeding, and mode of birth.


Obejrzyj wideo: BIO 313: Control of Microbial Growth Part 1 (Sierpień 2022).