Słowo mikrobiota oznacza zespół mikroorganizmów, które zamieszkują w uprzednio ustalonym środowisku. Ludzie mają skupiska bakterii w różnych częściach ciała, np. w powierzchniowych lub głębokich warstwach skóry (mikrobiota skóry), w jamie ustnej (mikrobiota jamy ustnej), w pochwie (mikrobiota pochwy), itd. Mikrobiota jelitowa to nazwa nadana dzisiaj populacji mikrobów żyjących w naszym jelicie (rysunek 2). Rozwój mikrobioty jelitowej rozpoczyna się w momencie narodzin i ewoluuje przez całe nasze życie, od narodzin do starości, i jest wynikiem różnych wpływów środowiskowych. Okresem, w którym mikrobiota wywiera najsilniejszy wpływ na ludzkiego gospodarza jest okres postnatalny, w którym wolny od zarazków noworodek przechodzi ze sterylnego środowiska macicy matki do świata pełnego mikroorganizmów i w którym powierzchnie błon śluzowych i skóry noworodka ulegają stopniowej kolonizacji (Bartova). Skład populacji bakterii zazwyczaj stabilizuje się dopiero po kilku pierwszych latach życia; w tym okresie mikrobiota będzie stopniowo kolonizować powierzchnie błon śluzowych i skóry noworodka i wywierać wpływ na rozwój układu odpornościowego. Istnieją dowody wskazujące na to, że ludzkie społeczności mikrobiotyczne odgrywają rolę w patogenezie chorób tak różnych jak astma, egzema, nieswoiste zapalenia jelit, otyłość, insulinooporność i nowotwory. Naukowcy twierdzą, że u niemowląt karmionych piersią występuje obniżony wskaźnik infekcji wczesnodziecięcych, cukrzycy i otyłości w porównaniu do składu mikrobioty jelitowej u niemowląt karmionych mieszanką (Moore). U niemowląt karmionych piersią, Bifidobacterium stały się dominującą grupą organizmów, podczas gdy niemowlęta karmione mieszankami mineralnymi rozwijają inną społeczność mikrobiologiczną składającą się z niektórych Bifidobacterium i dużej proporcji innych potencjalnie patogennych organizmów, kilka przykładów to, staphylococcus, enterobacteria i clostridia. Bifidobacterium jest gram-dodatnią, niemotylną, beztlenową bakterią (rysunek 3). Ta forma bakterii zasiedla przewód pokarmowy, pochwę i jamę ustną ssaków, w tym ludzi; udowodniono jej obecność w jogurcie Activia. Różne gatunki lub szczepy bakterii mogą wywierać szereg korzystnych efektów zdrowotnych, w tym regulację homeostazy mikrobiomu jelitowego, hamowanie patogenów i szkodliwych bakterii, które kolonizują lub infekują błonę śluzową jelit, hamowanie prokarcinogennych aktywności enzymatycznych w obrębie mikrobioty oraz produkcję witamin (Moore). Bifidobacterium poprawia barierę śluzówkową jelit i obniża poziom lipopolisacharydu w jelitach oraz zniechęca do wzrostu patogenów gram-ujemnych u niemowląt. Mleko matki zawiera zwykle wysokie stężenie laktozy i niższe ilości fosforanów, które są buforem pH. Dlatego też, gdy mleko matki jest fermentowane przez bakterie kwasu mlekowego, do których należą Bifidobacteria w przewodzie pokarmowym niemowlęcia, pH w stolcu może zostać obniżone, co utrudnia rozwój bakterii gram-ujemnych u niemowląt karmionych piersią. Jeśli nastąpi spadek liczby Bifidobacteria w mikrobiocie jelitowej, nastąpi wzrost innych flor jelitowych w niemowlęctwie, które są związane z chorobami pojawiającymi się w późniejszym życiu, takimi jak, zwiększona liczba E.coli związana z rozwojem chorób atopowych, takich jak astma i egzema (Oh), podczas gdy spadek liczby Bifidobacterial i wzrost liczby S. aureus są związane z nadwagą matek i zwiększonym ryzykiem nadwagi u niemowląt w dzieciństwie (Bourboulis). Dane wykazały, że zrozumienie interakcji między społecznościami bakteryjnymi i ich ludzkimi gospodarzami może naświetlić patogenezę złożonych chorób człowieka, takich jak otyłość, choroby atopowe i zaburzenia autoimmunologiczne. Główną cechą chorób autoimmunologicznych jest niszczenie tkanek i upośledzenie funkcji spowodowane przez mechanizmy immunologiczne, które są zasadniczo takie same jak te, które działają przeciwko infekcjom patogennym; zarówno żywe bakterie jak i ich składniki są wyraźnie odpowiedzialne za wiele z tych mechanizmów immunomodulacyjnych (Bartova). Mechanizmy immunomodulacyjne mają zdolność do zmiany lub regulacji jednego lub więcej czynników immunologicznych. Co więcej, zaburzenia te stanowią ważny problem medyczny, ponieważ mają niszczący wpływ na jakość życia i wymagają długotrwałej opieki medycznej. Zrozumienie tych interakcji dostarczyło źródła dla podejść terapeutycznych, sposobu na zmniejszenie patogenezy. Jedną z zastosowanych metod było sondowanie PCR (polymerase chain reaction) w poszukiwaniu specyficznych genów oraz profilowanie chemiczne metabolitów drobnoustrojów. PCR jest technologią w biologii molekularnej używaną do amplifikacji pojedynczej kopii lub kilku kopii fragmentu DNA w kilku rzędach wielkości, generując tysiące do milionów kopii danej sekwencji DNA. Metody te wykazały zmienione profile metaboliczne u ludzi z nieswoistymi zapaleniami jelit, różnice w składzie mikrobioty jelitowej w zależności od diety człowieka oraz różnice funkcjonalne w mikrobiocie jelitowej związane z habitusem ciała gospodarza, zmiany rozwojowe w składzie mikrobioty przewodu pokarmowego w okresie niemowlęcym i dziecięcym, a także epidemiologię genetyczną oporności na antybiotyki w mikrobiocie jelitowej (Moore). Specyficzne różnice w składzie mikrobioty przewodu pokarmowego zostały powiązane z ważnymi obszarami ludzkiego zdrowia i choroby. Dzięki badaniom dokonano ostatnich postępów w zrozumieniu interakcji pomiędzy metabolitami bakteryjnymi a mechanizmami komórkowymi gospodarza, które zaczęły oświetlać fizjologiczne podstawy udziału drobnoustrojów w patologii człowieka, co oznacza badanie chorób człowieka. Funkcjonalne badania metagenomiki mogą również naświetlić genetyczne uwarunkowania interakcji mikrobów z komórkami gospodarza. Metagenomika funkcjonalna jest jedną z technik niezależnych od kultury, która była używana przez dziesięciolecia do badania mikroorganizmów środowiskowych. Dopiero niedawno metoda ta została zastosowana do badania ludzkiej mikrobioty komensalnej. Metagenomiczne badania funkcjonalne charakteryzują zdolności funkcjonalne społeczności mikrobiologicznej, niezależnie od identyfikacji ze znanymi genami, poprzez poddanie metagenomu badaniom funkcjonalnym w genetycznym gospodarzu. Używając tej metody można zidentyfikować specyficzne bakteryjne produkty genowe, które bezpośrednio wpływają na losy ludzkich komórek. Te same skriningi mogą być również zaprojektowane w celu zbadania immunomodulacyjnych zdolności mikrobioty przewodu pokarmowego. Łącznie, badania te pokazują potencjał metagenomiki funkcjonalnej do naświetlania mechanizmów genetycznych udziału społeczności mikrobiotycznej w rozwoju ludzkiego układu odpornościowego i patogenezie chorób atopowych, autoimmunologicznych i nowotworowych, co może dostarczyć nowych celów terapeutycznych dla tych schorzeń (Moore). Ponadto, oprócz interakcji z komórkami występującymi u ludzi, bakterie komensalne, takie jak mikrobiota jelitowa i inne organizmy, mogą również wykorzystywać quorum-sensing do przekazywania sygnałów na odległość i koordynowania ekspresji genów w społeczności. Quorum-sensing jest systemem stymulacji i odpowiedzi skorelowanym z gęstością populacji. Wiele gatunków bakterii wykorzystuje quorum-sensing do koordynowania ekspresji genów w zależności od gęstości ich lokalnej populacji. Z każdą przedstawioną techniką i ludzką chorobą zahamowaną daje dowód, że ludzkie społeczności mikrobiologiczne odgrywają rolę w patogenezie chorób.
Urinary and Rectal Escherichia coli
Escherichia coli (E. coli) jest gram-ujemną, fakultatywną beztlenową, prętokształtną bakterią, która jest powszechnie spotykana w dolnym jelicie organizmów ciepłokrwistych. Większość szczepów jest nieszkodliwa i żyje spokojnie w naszych jelitach chrupiąc kawałki jedzenia i nie wyrządzając żadnej szkody, a nawet tworząc korzyści dla gospodarzy poprzez pomoc w trawieniu, ale niektóre typy mogą powodować poważne zatrucia pokarmowe u swoich gospodarzy, powodując u ludzi wymioty, biegunkę i czerwonkę, a w rzadkich przypadkach bakterie mogą prowadzić do niewydolności nerek, a nawet śmierci. Te szkodliwe E. coli czasami odpowiedzialne za wycofywanie produktów z powodu skażenia żywności; może również powodować różne choroby, zarówno jelitowe, jak i pozajelitowe. E.coli jest organizmem komensalnym ludzi i innych zwierząt ciepłokrwistych. Może być również organizmem wirulentnym; czynniki wirulencji bakterii zależą od różnic w podłożu genetycznym. Badania filogenetyczne wykazały, że E. coli można podzielić na cztery główne grupy filogenetyczne: A, B1, B2 i D (Foxman). Grupy te dają lepszą charakterystykę zrozumienia, w jaki sposób bakterie komensalne lub komensalne E. coli mogą stać się szkodliwym patogenem. Grupy A i B1 są grupami siostrzanymi, podczas gdy grupa B2 jest włączona do gałęzi przodków. Te filogrupy najwyraźniej różnią się pod względem nisz ekologicznych, trybu życia i niektórych cech, takich jak zdolność do wykorzystywania różnych źródeł cukru, profil oporności na antybiotyki i tempo wzrostu (Amaral). Większość szczepów E. coli, które żyją i rozwijają się w środowisku, należy do grupy filogenetycznej B1. Wielkość genomu również odgrywa rolę wśród filogrup, grupy A i B1 mają mniejsze genomy niż B2 i D; te dwie grupy zawierały więcej czynników wirulencji niż szczepy z grup A i B1. Udowodniono jednak, że większość szczepów E. coli z grupy B2 jest odpowiedzialna za zakażenia dróg moczowych (UTI) i inne zakażenia pozajelitowe; ta grupa również często przenosi determinanty wirulencji. Flora jelitowa lub odbytnicza E. coli jest uważana za naturalny rezerwuar szczepów patogennych w zakażeniach pozajelitowych, dlatego też zaliczana jest do populacji szczepów komensalnych. Rozkład filogenetyczny komensalnych izolatów E. coli od zdrowych ludzi może dostarczyć ważnych porównań i wglądu w rozprzestrzenianie się potencjalnej linii patogennej (Foxman). Organizmy komensalne są zwykle zdominowane przez szczepy z grup A i B1, z niewielką ilością szczepów B2. Jednakże, dzięki obserwacji, różnica w dystrybucji grup filogenetycznych E. coli pomiędzy patogennymi i komensalnymi populacjami E. coli została oparta na porównaniu izolatów kałowych i moczowych z różnych populacji gospodarzy. Amaral i jej współpracownicy zidentyfikowali grupy filogenetyczne izolatów E. coli pochodzących od kobiet w wieku studenckim i porównali ich rozmieszczenie w poszczególnych kolekcjach w celu lepszego porównania zależności genetycznych pomiędzy patogennymi i komensalnymi populacjami E. coli. Badacze opisali rozmieszczenie 93 uropatogennych szczepów i 88 komensalnych szczepów odbytniczych od zdrowych kobiet wśród czterech głównych grup filogenetycznych E.coli (Foxman). Wyniki wykazały, że szczepy z grupy B2 dominowały w próbkach pobranych od kobiet z UTI, rzadziej w próbkach pobranych z odbytnicy, a także były najczęstszą grupą wśród wszystkich wyników uzyskanych od badanych kobiet. Zbadano również zmienność genetyczną w obrębie każdej grupy filogenetycznej przy użyciu typowania ERIC i wykazano, że szczepy z grupy B2 i D pochodzące z UTI były genetycznie mniej zróżnicowane niż te pochodzące z odbytnicy. ERIC-PCR, co oznacza enterobacterial repetitive intergenic consensus PCR analysis, został użyty w celu dalszego zbadania zróżnicowania genetycznego szczepów w obrębie każdej grupy filogenetycznej z każdej kolekcji, jak pokazano w powyższych wynikach. Na podstawie wszystkich podanych informacji można bezpiecznie stwierdzić lub oszacować, że szczepy B2 stanowią znaczną część wszystkich pozazakaźnych zakażeń E. coli, stanowiąc jedynie niewielki procent badanych szczepów ludzkich. Ponieważ grupa B2 występuje zarówno w grupach patogennych, jak i komensalnych, dowodzi to istnienia różnorodności genetycznej. Jest możliwe, że zdrowa populacja ludzka może mieć wysoki wskaźnik szczepów B2, ale może też być mniej zjadliwa. Dane te pokazują, że bakterie lub E. coli mogą przystosowywać się do różnych nisz i przechodzić i ewoluować od komensalnego stylu życia do patogennego. Potencjalnie, ewolucja takich organizmów od ich komensalnego przodka wymaga nie tylko pozyskania dodatkowych genów, na przykład kodujących determinanty wirulencji, ale także modyfikacji istniejących funkcji. Jednym z przykładów sposobu, w jaki patogeny wykorzystują swoją zmienność genetyczną, aby uniknąć nadzoru immunologicznego i terapii lekowej, jest HIV-1 oporny na 3TC, co oznacza, że HIV jest oporny na 3TC, który jest lamiwudyną, silnym nukleozydem, stosowanym w leczeniu przewlekłego wirusowego zapalenia wątroby typu B. HIV może szybko rozwinąć oporność na 3TC, jeśli poziom wiremii nie zostanie obniżony poniżej granicy wykrywalności, co oznacza, że leczenie nie będzie skuteczne.
Wniosek
Porfiryny są naturalnie syntetyzowane w komórkach ludzkich, a także produkowane przez ludzkie bakterie komensalne, takie jak P. acnes w ludzkiej skórze. Jako bakteria komensalna, P. acnes jest częścią składową każdego człowieka; jej stała i konsekwentna obecność na ludzkiej skórze może czynić ją doskonałą endogenną biochemią radiacyjną. Mikrobiota reprezentuje zespół mikroorganizmów, które zamieszkują wcześniej ustalone środowisko, a rozwój mikrobioty jelitowej rozpoczyna się w momencie narodzin i ewoluuje przez całe nasze życie, od narodzin do starości, i jest wynikiem różnych wpływów środowiskowych. Przykładem może być bifidobacterium, które poprawia barierę śluzówkową jelit i obniża poziom lipopolisacharydu w jelitach oraz hamuje wzrost patogenów gram-ujemnych u niemowląt. Mleko matki zawiera zwykle duże stężenie laktozy i mniejsze ilości fosforanów, które są buforem pH. Dlatego też, gdy mleko matki jest fermentowane przez bakterie kwasu mlekowego, do których należą Bifidobacteria w przewodzie pokarmowym niemowlęcia, pH w stolcu może być obniżone, co utrudnia rozwój bakterii gram-ujemnych u niemowląt karmionych piersią. E. coli w większości szczepów są nieszkodliwe i żyją spokojnie w naszych jelitach, chrupiąc kawałki jedzenia i nie wyrządzając żadnej szkody, a nawet tworząc korzyści dla gospodarzy poprzez pomoc w trawieniu, ale niektóre typy mogą powodować poważne zatrucia pokarmowe u swoich gospodarzy, powodując u ludzi wymioty, biegunkę i czerwonkę; w rzadkich przypadkach bakterie te mogą prowadzić do niewydolności nerek, a nawet śmierci. E. coli można podzielić na cztery główne grupy filogenetyczne, A, B1, B2 i D. Grupy te dają lepszą charakterystykę zrozumienia jak bakterie komensalne lub komensalne E. coli mogą stać się szkodliwym patogenem. Każdy z tych trzech organizmów pokazuje, jak organizmy komensalne pomagają oświetlić filogenetykę człowieka poprzez swoją różnorodność. Każdy z nich pomaga organizmowi w inny sposób, a kilka z nich w końcu z czasem nabyło cechy patogenne, takie jak E. coli. Organizmy komensalne to organizmy pomocne dla organizmu, rozkładające pożywienie, zwalczające choroby, wystawiające na działanie promieniowania, wspomagające układ odpornościowy i kilka innych rzeczy; ale może również zaszkodzić ciału, przynosząc patogeny, choroby i schorzenia do ciała. Dzieje się to w czasie i zazwyczaj tylko przy zmianach środowiskowych.
1. Bartova, Jirina, David P. Funda, and Ludmila Tuckova. „The Role of Gut Microbiota (commensal Bacteria) and the Mucosal Barrier in the Pathogenesis of Inflammatory and Autoimmune Diseases and Cancer: Contribution of Germ-free and Gnotobiotic Animal Models of Human Diseases.” Nature.com. Nature Publishing Group, 31 Jan. 2011. Web. 28 Apr. 2015.
2. „Escherichia Coli Phylogenetic Group Determination and Its Application in the Identification of the Major Animal Source of Fecal Contamination.” BMC Microbiology. N.p., n.d. Web. 28 Apr. 2015.
3. Kotzampassi, Katerina, Evangelos J. Giamarellos-Bourboulis, and George Stavrou. „Obesity as a Consequence of Gut Bacteria and Diet Interactions”. ISRN Obesity. Hindawi Publishing Corporation, n.d. Web. 28 Apr. 2015.
4. Moore, Aimee M., Christian Munck, Morten O. A. Sommer, and Gautam Dantas. „Functional Metagenomic Investigations of the Human Intestinal Microbiota.” Frontiers in Microbiology. Frontiers Research Foundation, 17 Oct. 2011. Web. 28 Apr. 2015.
5. Result Filters.” National Center for Biotechnology Information. U.S. National Library of Medicine, n.d. Web. 28 Apr. 2015.
6. Roh, Seong Woon, Young-Do Nam, Ho-Won Chang, Kyoung-Ho Kim, Min-Soo Kim, Ji-Hwan Ryu, Sung-Hee Kim, Won-Jae Lee, and Jin-Woo Bae. „Phylogenetic Characterization of Two Novel Commensal Bacteria Involved with Innate Immune Homeostasis in Drosophila Melanogaster.” Applied and Environmental Microbiology. American Society for Microbiology (ASM), n.d. Web. 28 Apr. 2015.
7. Shu, M., S. Kuo, Y. Wang, Y. Jiang, Y.-T. Liu, R.L. Gallo, and C.-M. Huang. „Porphyrin Metabolisms in Human Skin Commensal Propionibacterium Acnes Bacteria: Potential Application to Monitor Human Radiation Risk.” Current Medicinal Chemistry. U.S. National Library of Medicine, 2 Jan. 2014. Web. 28 Apr. 2015.
8. „Wood’s Lamp Examination.” Healthline. N.p., n.d. Web. 28 Apr. 2015.
9. Zhang, Lixin, Betsy Foxman, and Carl Marrs. „Both Urinary and Rectal Escherichia Coli Isolates Are Dominated by Strains of Phylogenetic Group B2.” Journal of Clinical Microbiology. American Society for Microbiology, Nov. 2002. Web. 28 Apr. 2015.
10. Zheng, Tao, Jinho Yu, Min Hee Oh, and Zhou Zhu. „The Atopic March: Progression from Atopic Dermatitis to Allergic Rhinitis and Asthma.” Allergy, Asthma & Immunology Research. The Korean Academy of Asthma, Allergy and Clinical Immunology; the Korean Academy of Pediatric Allergy and Respiratory Disease, n.d. Web. 28 Apr. 2015.