Ludzkie jelita są domem dla setek różnych gatunków bakterii, zwanych wspólnie mikrobiomem jelitowym. Główną korzyścią zdrowotną, jaką zapewniają, jest ochrona jelit przed inwazją patogenów (mikroorganizmów chorobotwórczych), które mogą powodować szkodliwe infekcje. Jednak jak dotąd nie było jasne, w jaki sposób dochodzi do tego efektu ochronnego i czy określone gatunki bakterii odgrywają ważniejszą rolę niż inne.
Aby to zbadać, naukowcy z Uniwersytetu Oksfordzkiego przetestowali 100 różnych szczepów bakterii jelitowych indywidualnie i w połączeniu pod kątem ich zdolności do ograniczania wzrostu dwóch szkodliwych patogenów bakteryjnych: Klebsiella pneumoniae i Salmonella enterica. Poszczególne bakterie jelitowe wykazywały bardzo słabą zdolność do ograniczania rozprzestrzeniania się któregokolwiek patogenu. Kiedy jednak hodowano razem zbiorowiska liczące do 50 gatunków, patogeny rosły do 1000 razy mniej skutecznie niż w przypadku hodowli z dowolnym pojedynczym gatunkiem. Ten „efekt ochrony społeczności” zaobserwowano niezależnie od tego, czy bakterie hodowano razem w fiolkach, czy na myszach „wolnych od zarazków” (które na początku eksperymentów nie miały żadnych bakterii jelitowych).
Autor, profesor Kevin Foster (Wydziały Biologii i Biochemii Uniwersytetu Oksfordzkiego) powiedział: „Te wyniki wyraźnie pokazują, że odporność na kolonizację jest zbiorową właściwością społeczności mikrobiomów; innymi słowy, pojedynczy szczep działa ochronnie tylko w połączeniu z innymi”.
Naukowcy odkryli jednak, że członkowie społeczności bakteryjnych – a nie tylko ogólna różnorodność – mieli krytyczny wpływ na poziom ochrony. Stwierdzono, że niektóre gatunki są niezbędne dla ochrony społeczności, chociaż same gatunki te zapewniają niewielką ochronę.
Naukowcy wykazali, że ochronne społeczności bakteryjne blokują rozwój patogenu poprzez spożywanie składników odżywczych potrzebnych patogenowi. Oceniając genomy różnych gatunków bakterii, odkryli, że zbiorowiska najskuteczniej chroniące składały się z gatunków o bardzo podobnym składzie białek do gatunków patogennych. Wykorzystali także profilowanie metaboliczne, aby wykazać, że gatunki chroniące mają podobne zapotrzebowanie na źródła węgla jak patogeny.
Autorka Frances Spragge (Wydziały Biologii i Biochemii Uniwersytetu Oksfordzkiego) dodała: „Co najważniejsze, chociaż zwiększona różnorodność mikrobiomu zwiększa prawdopodobieństwo ochrony przed tymi patogenami, kluczowe znaczenie ma nakładanie się profili wykorzystania składników odżywczych przez społeczność i patogen. Niektóre gatunki odgrywające kluczową rolę w ochronie społeczności wykazują wysoki stopień nakładania się metabolizmu z patogenem, a zatem podobne zapotrzebowanie na składniki odżywcze”.
Naukowcy wykorzystali tę zasadę blokowania składników odżywczych do przewidywania zbiorowisk bakterii zapewniających słabą i silną ochronę przed innym patogenem: szczepem E. coli opornym na środki przeciwdrobnoustrojowe. Testy eksperymentalne wykazały, że społeczności, które w największym stopniu pokrywały się składnikami odżywczymi ze szczepem E. coli, były do 100 razy skuteczniejsze w ograniczaniu liczebności patogenu niż społeczności, które przewidywano jako zapewniające słabą ochronę.
Według naukowców te nowe spostrzeżenia można wykorzystać w nowatorskich strategiach zwalczania szkodliwych patogenów jelitowych poprzez optymalizację zbiorowisk mikrobiomu jelitowego. Mogą również wyjaśniać, dlaczego jednostki mogą stać się bardziej podatne na gatunki takie jak K. pneumoniae po przyjęciu terapii antybiotykowej, która może zmniejszyć różnorodność gatunków mikrobiomu jelitowego.
Autor dr Erik Bakkeren (Wydział Biologii i Biochemii Uniwersytetu Oksfordzkiego) dodał: „Nasza praca potwierdza ogólną hipotezę, że bardziej zróżnicowany mikrobiom może przynosić korzyści zdrowotne. Daje to nadzieję na osiągnięcie celu, jakim jest optymalizacja składu mikrobiomów w celu ochrony przed gatunkami bakterii szkodliwymi dla zdrowia”.