O microbioma humano - como os cientistas chamam as comunidades de microorganismos que habitam a sua pele, boca, intestinos e outras partes de seu corpo por parte dos trilhões - desempenha um papel fundamental em manter-se saudável.Essas comunidades também estão pensados para causar a doença quando são perturbados. Mas nossa função exata microbioma, bom e ruim, é mal compreendido. Isso pode mudar.
Um consórcio National Institutes of Health (NIH)-organizada, que inclui cientistas do Departamento de Energia dos EUA, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) tem pela primeira vez mapeou o microbiana normal de make-up de seres humanos saudáveis.
A pesquisa vai ajudar os cientistas a entender como nosso microbioma realiza tarefas vitais, tais como suportar o nosso sistema imunológico e ajudar-nos a digerir o alimento. Ele também vai lançar luz sobre o papel nosso microbioma em doenças tais como a colite ulcerativa, doença de Crohn, e psoríase, para nomear alguns.
Em vários relatórios científicos publicados em 14 de junhoNatureza e em revistas da Public Library of Science , cerca de 200 integrantes do Projeto Microbioma Humano (HMP) Consórcio de cerca de 80 instituições de pesquisa relatório sobre cinco anos de pesquisa.
Papel do laboratório de Berkeley no mapeamento do microbioma humano gira em torno de dados grandes, tanto analisá-lo e torná-lo disponível para os cientistas a usar todo o mundo.
3,5 terabases de dados
Pesquisadores HMP amostrados 242 voluntários saudáveis EUA (129 masculinos, 113 femininos), recolha de tecidos a partir de 15 locais do corpo em homens e 18 locais do corpo em mulheres. Os pesquisadores coletaram até três amostras de cada voluntário em locais como a boca, pele, nariz e intestino grosso. As comunidades microbianas em cada local do corpo pode ser tão diferentes quanto os micróbios na Floresta Amazônica contra o Deserto do Saara.
Os pesquisadores então purificado todo o DNA humano e microbiana em mais de 5.000 amostras e correu-los através de máquinas de sequenciamento de DNA. O resultado é de cerca de 3,5 terabases de dados de sequências genómicas. A terabase é um trilhão de subunidades de DNA.
Um sistema de análise comparativa para o estudo de amostras de humanos microbioma
Cientistas de Berkeley Lab desenvolveu e manter um sistema de análise comparativa dos genomas microbianos chamado Integradas e Metagenomes para o Projeto Microbioma Humano (IMG / M HMP). Ela permite que os cientistas para estudar as amostras humanas microbioma dentro do contexto de genomas de referência de micróbios individuais. Genomas de referência ajudar os cientistas a identificar os micróbios em uma amostra.
Este sistema é uma "data mart" do maior data warehouse IMG / M que suporta a análise de genomas de comunidades microbianas do Departamento de Energia do Conjunto Genome Institute (JGI). IMG / M contém milhares de genomas e amostras metagenome com bilhões de genes. Um metagenome consiste dos genomas de agregação de todos os organismos em uma comunidade microbiana.
"O IMG / M HMP data mart vai ajudar os cientistas a avançar a nossa compreensão do microbioma humano", diz o biólogo molecular Nikos Kyrpides da Divisão de Genômica do Laboratório Berkeley, que lidera o Genoma Microbiana e Programas Metagenome no JGI. "Os cientistas podem acessar dados HMP com apenas um clique de um botão e realizar análises comparativas de conjuntos de dados."
Kyrpides é também um co-investigador principal de Análise de Dados do HMP e Centro de Coordenação (DACC), juntamente com Victor Markowitz, que lidera Biológica Berkeley Lab de Gestão de Dados e Tecnologia Center (BDMTC) na Divisão de Pesquisa Computacional. Markowitz supervisiona o desenvolvimento e manutenção do sistema IMG / M por pessoal BDMTC.
"Nosso sistema permite que cientistas do mundo todo para acessar e analisar os conjuntos de dados metagenome gerados pelo Projeto NIH Microbioma Humano. Pretendemos acrescentar às nossas bases de dados do sistema metagenome gerados por projetos semelhantes na Europa, Canadá e Ásia, e, assim, aumentar consideravelmente o seu potencial de análise comparativa", diz Markowitz.
Um trabalho para computação de alto desempenho
O cálculo envolvido na integração de dados subjacente metagenome IMG / M HMP foi parcialmente realizado no Departamento de Nacional de Energia Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), que está localizado no laboratório de Berkeley. O Energy Sciences Network (ESnet), uma rede de alta velocidade que serve milhares de cientistas do mundo inteiro que está hospedado no laboratório de Berkeley, foi fundamental na transferência dos conjuntos de dados HMP.
Dois milhões de horas de computador foram atribuídas em NERSC para levar a cabo a integração de dados HMP, bem como peneirar dados HMP para 16S ribosomal RNA genes, que pode ser utilizado para identificar as espécies individuais.Focalizando esta assinatura microbiana permitiu aos pesquisadores HMP para subtrair as seqüências do genoma humano e analisar apenas o DNA bacteriano.
A análise ajudou os cientistas a determinar a diversidade de espécies microbianas dentro de uma pessoa, inclusive dentro de diferentes locais do corpo em uma pessoa. Foi também revelado na medida em que comunidades microbianas variar entre as pessoas.
"Os resultados sugerem que cada pessoa tem um microbioma relativamente estável que é exclusivo para eles. Você tem o seu microbioma pessoal", diz Janet Jansson, ecologista microbiana na Divisão de Berkeley Lab Ciências da Terra.
Além disso, enquanto os cientistas haviam anteriormente isolado apenas algumas centenas de espécies de bactérias do corpo, os pesquisadores HMP agora calcular que mais de 10.000 espécies ocupam o ecossistema humano.
Qual é o próximo?
"Agora que temos uma boa idéia do que compõe o microbioma humano saudável, podemos estudar o que acontece quando ele está perturbado por causa de doenças, drogas, ou a dieta", diz Jansson,
No laboratório Jansson, por exemplo, os cientistas estudar o papel da microbioma intestino na doença de Crohn, que é uma doença inflamatória do intestino. As alterações na composição ou a função dos triliões de micróbios que habitam o intestino humano estão associados com numerosas doenças, tais como de Crohn. Entender os fatores subjacentes a essas mudanças vão ajudar os pesquisadores a desenvolver tratamentos para combater essas doenças.
Pesquisa semelhante também está em andamento em outros centros de pesquisa. Cientistas estão usando dados HMP para estudar o microbioma nasal de crianças com febres inexplicáveis. Eles também estão explorando como o microbioma vaginal sofre uma mudança dramática nas espécies bacterianas em preparação para o nascimento, caracterizada pela diminuição da diversidade de espécies.
Outros pesquisadores de Berkeley Lab com papéis de destaque no HMP incluem Gary Andersen, Shane Canon, e Konstantinos Liolios.
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