021-22889554
021-26703715
مشاوره آموزشی رایگان

021-22889554  |  021-26703715 مشاوره آموزشی رایگان

چگونه میکروب‌هایی که در روده شما زندگی می‌کنند را مطالعه می‌کنیم؟

Dan Knights

How we study the microbes living in your gut

There are about a hundred trillion microbes living inside your gut -- protecting you from infection, aiding digestion and regulating your immune system. As our bodies have adapted to life in modern society, we've started to lose some of our normal microbes; at the same time, diseases linked to a loss of diversity in microbiome are skyrocketing in developed nations. Computational microbiologist Dan Knights shares some intriguing discoveries about the differences in the microbiomes of people in developing countries compared to the US, and how they might affect our health. Learn more about the world of microbes living inside you -- and the work being done to create tools to restore and replenish them.


تگ های مرتبط :

Biodiversity, Biology, Science
اگر از شما نام میکروبی را بخواهم که درون روده شما زندگی می‌کند، خیلی از شما می‌گویید: ای. کولی. خیلی از مردم می‌گویند که این معروف‌ترین میکروب روده است. ولی معلوم شده که تعداد ای. کولی در روده شما به نسبت یک به هزار از گونه‌های دیگر که احتمالا نامشان را هم نشنیده‌اید کمتر است. از آن‌ها می‌توان به باکتروئیدس و پری‌وتلا اشاره کرد. این‌ها میکروب‌هایی هستند که بر روده انسان مدرن چیره شده‌اند. به طور تقریبی صد تریلیون میکروب درون شما زندگی می کنند. و ما به این، میکروبیوم شما می‌گوییم. شبیه دنیای کوچکی است که درون شما زندگی می‌کند. در واقع، بیشتر به یک جهان شباهت دارد.
صد تریلیون یعنی اگه شما چمنی را بردارید و برای هر میکروب درون روده‌تان یکی بکارید می‌توانید یک میلیون زمین فوتبال را پر کنید. پس بطور باور نکردنی پیچیده است. ولی جالب است که بدانید، همانطور که بدنهای ما با زندگی در جامعه مدرن سازگار شده‌اند، ما برخی از میکروب‌های معمول خود را از دست می‌دهیم. و در عین حال، بیماری‌های زیادی مرتبط به روده وجود دارند که به شدت در کشورهای توسعه یافته جهان رشد کردند. و احتمالا خیلی از شما کسی را می‌شناسید که از چاقی مفرط رنج می‌برد، دیابت‌، بیماری کرون یا کولیت زخمی آلرژی و آسم.
هر کدام از این بیماری‌ها و خیلی دیگر که به متابولیسم و خود ایمنی مربوط هستند به ازدست دادن تنوع سالم در روده ما مرتبط هستند. در آزمایشگاه، اولین نشانه این را وقتی یافتیم که روی نخستی‌سانان غیر-انسان مطالعه می‌کردیم. ما می‌خواستیم بدانیم که چه اتفاقی برای میکروبیوم یک میمون می‌افتد وقتی از جنگل به باغ وحش می‌روند. آیا میکروبیوم‌شان تغییر می‌کند؟ یا حشرات جدید می‌گیرند؟ آیا تعدادی را از دست می‌دهند؟ وضع‌شان بهترمی‌شود یا بدتر؟ ما دو گونه مختلف را در جنگل تعقیب کردیم یکی در ویتنام، دیگری در کاستاریکا. بعد دی‌ان ای آنها را از روی مدفوع‌شان به توالی چیدیم.
این روشی است که در آزمایشگاه تحقیقاتی من میکروبیوم را مطالعه می‌کنیم. و چیزی که در دی‌ان‌ای آنها پیدا کردیم این بود که در حیات وحش، این دو گونه مجموعه‌های کاملا متفاوتی از میکروب‌ها داشتند. مثل اثر انگشت برای گونه‌ها است. ولی در باغ وحش آنها بیشتر این تنوع را از دست داده‌اند و مجموعه‌های جدیدی از میکروب‌ها را پیدا کردند. خب این خیلی عجیب بود. ما دو مجموعه مختلف از میکروبیوم داشتیم. در حیات وحش، یک جنگل بارانی شاداب گرمسیری را تصور کنید که در روده میمون زندگی می‌کرد. این همان تنوعی است که ما درباره‌اش صحبت می‌کنیم. بعد در باغ وحش، تنوع را از دست داده‌ایم.
جنگل بارانی را تصور کنید که کاملا سوخته و توسط چند گونه تهاجمی تصاحب شده. این همان میکروبیومی است که در یک نخستی‌سان اسیر شده وجود دارد. حال در عین حال، خیلی از حیوانات باغ وحش حال‌شان خوب نیست. آنها مشکلاتی مثل چاقی تلف شدن، التهاب روده‌، اسهال و نفخ دارند. و بضی از آنها به سختی زنده می‌مانند. البته ما خیلی مشتاق بودیم که بفهمیم آن گونه‌های تهاجمی خود خوانده که باغ وحش را تصاحب می‌کنند چه گونه‌هایی هستند. پس به سراغ دی‌ان‌ای رفتیم و چیزی که نشان داد این بود که هر میمونی در باغ وحش
تحت سلطه باکتروئیدس و پری‌وتلا است. همان میکروب‌هایی که ما به عنوان انسان، درون روده داریم. می‌خواستیم راهی را پیدا کنیم تا این را تجسم کنیم. از ابزارهای اکولوژی چند متغیره‌ای استفاده کردیم تا همه میکروبیوم‌هایی را که مطالعه می‌کردیم روی یک محور قرار دهیم. و چیزی که اینجا می‌بینید نمودار فاصله‌ای است که هر نقطه، میکروبیوم حیوان متفاوتی را نشان می‌دهد. پس هر نقطه نمایانگر باغ وحش کاملی از میکروب‌هاست. و میکروبیوم‌هایی که میکروب‌های مشترک زیادی دارند نزدیک به هم هستند. و میکروبیوم‌هایی که متفاوتند از هم جدا هستند. پس این به شما نشان می‌دهد
که دو گروه سمت چپ میمون‌های وحشی هستند. در بالا سمت چپ، میمون‌های در حال انقراض هستند که به نام دوک پا قرمز در ویتنام نامگذاری شده‌اند. و در پایین سمت چپ میمون‌هایی از کاستاریکا هستند. بنابراین می‌بینید که آنها میکروبیوم کاملا متفاوتی در حیات وحش دارند. سپس همان دونوع میمون در باغ وحش همگرا می‌شوند. بنابراین میکروبیوم آنها تغییر می‌کند و بیشتر شبیه یکدیگر می‌شوند، اگر چه این باغ وحش‌ها در قاره‌های مختلف، مناطق مختلف جغرافیایی هستند و رژیم غذایی مختلف هستند. بعد، برخی از نخستی‌سانان را مطالعه کردیم. به نظرتان چه گروه از نخستی‌سانان حتی از
انواع وحشی در قیاس با آنهایی که گرفتار شده‌اند، متفاوت‌تر هستند؟ انسانهای مدرن، این‌ها انسانهایی هستند که در کشورهای درحال توسعه زندگی می‌کنند. پس آنها متفاوت‌تر از نخستی‌سانانی هستند که در حیات وحش هستند تا آنهایی که در باغ وحش هستند. و آخرین گروهی که مطالعه کردیم که در سمت راست است، اهالی ایالات متحده هستند. و وقتی که این ارقام را دیدم، مو به تنم سیخ شد. چون یک راه برای فکر کردن به آن این بود که: اوه چه جالب. میمون‌های در قفس در حال تبدیل شدن به آمریکایی‌ها هستند. (خنده) اما رویکرد دیگر این است که
آمریکایی‌ها شبیه میمون‌های در قفس هستند. وقتی داشتم به این تصویر در کامپیوترم نگاه می‌کردم خبردار شدم که چهار عدد از دوک‌های پا قرمز بر اثر بیماری روده در باغ وحش فوت کرده‌اند. بنابراین برای برخی از این حیوانات داشتن میکروب مناسب درون بدن‌شان دلیل بقای آنها است. اینجا به بخش انسانی داستان می‌رسیم. بدیهی است که، میکروبیوم‌هایی که در ایالات متحده هستند به کرات مثل میکروبیوم‌های باغ وحش باعث مرگ نمی‌شوند، اما خطر ابتلای بالا به چاقی‌مفرط، دیابت، و تعدادی از بیماری‌های دیگر را داریم. و اینها فقط برای مردمی نیست که نسل‌های طولانی در آمریکا
زندگی می‌کنند، همچنین مهاجران و پناهندگان، که، بیشتر مهاجران و پناهندگان، با متابولیسم سالم به آمریکا می‌رسند، و بعد طی چند سال، به اندازه سایر آمریکایی‌ها در معرض چاقی و دیابت قرار می‌گیرند. ما با دو گروه در مورد این موضوع بحث کردیم که از جنوب شرقی آسیا به آمریکا آمده‌اند: همونگ‌ها که در اواسط دهه ۱۹۷۰ به عنوان پناهنده بعد از جنگ ویتنام و جنگ مخفی ایالات متحده در لائوس به آمریکا آمده؛ و کارن‌ها که اخیرا به عنوان پناهنده از میانمار آمده‌اند. خب ما برای چندسال
با این جوامع محلی و پزشکان کار کرده‌ایم که اتفاقی را مطالعه کنیم که برای میکروبیوم‌های همونگ‌ها و کارن‌ها می‌افتد، وقتی مردم از اردوگاه‌های پناهندگان و روستاهای تایلند به آمریکا می‌آیند. و آنچه که متوجه شدیم این است که وقتی مردم از این گروه‌ها به آمریکا می‌آیند، تقریبا کسر زیادی از میکروبیوم‌شان را از دست می‌دهند، چیزی حدود ۲۰ درصد، و کسانی‌ که به آمریکا می‌آیند و چاق می‌شوند حدود یک سوم میکروب‌شان را از دست می‌دهند. خب ما می‌دانیم رفتن به آمریکا کافی است تا باعث تغییر چشمگیری در میکروبیوم شما شود، احتمالا نه تغییری برای بهتر شدن.
آیا در واقع این میکروب‌ها باعث چاقی می‌شوند؟ یا چاقی باعث تغییر میکروب‌ها می‌شود؟ این چیزی است که دنبال آن هستیم، و شواهدی که در آزمایشگاه ما و تعدادی از آزمایشگاه‌های سراسر جهان وجود دارد به ما می‌گوید که تغییرات خاصی در میکروبیوم واقعا به چاقی و تعدای بیماری‌های مدرن و تقریبا غربی شده ختم می‌شوند. خبر خوب این است که میکروبیوم شما در واقع می‌تواند تغییر می‌کند. برخلاف ژنتیک شما این موجودی زنده است که نفس می‌کشد. و درحال حاضر بخش وسیعی از تحقیقات در حال انجام است برای درک بهتر اینکه چگونه می‌توانیم میکروبیوهایمان را بازگردانی کنیم
وقتی که از دست می‌روند. با استفاده از رژیم غذایی، با استفاده از میکروب‌های زنده. و در واقع یکی از مراحل دیگر برای ما جمع‌آوری و حفظ میکروب‌ها از افراد سالم در سراسر جهان است تا بتوانند به عنوان دارایی‌های فرهنگی برای آن گروه‌ها حفظ شوند تا بطور بالقوه از آنها حفاظت کنند درحالی که آنها با جامعه مدرن سازگارمی‌شوند، و برای حفاظت از نسل‌های آینده که در حال حاضر با هر نسل، خطر ابتلای بیشتری به این بیماری‌ها پیدا می‌کنند. من مشتاق آینده‌ای هستم که ابزارهای مورد نیاز برای بازگردانی و احیای میکروبیوم‌هایمان را داشته باشیم،
و در آن دنیا میمون‌ها شادتر و سالم‌تر زندگی خواهند کرد، و ما هم همین‌طور. (تشویق)
If I asked you to name a microbe that's living in your gut, many of you would probably say E. coli. A lot of people say this. It's the best-known of the gut microbes. But it turns out that E. coli is outnumbered in your gut about a thousand to one by other species, many of which you probably haven't heard of. These are Bacteroides; Prevotella is another example. Those are the two that dominate the modern human gut. There are about a hundred trillion microbes living inside you. We call this your microbiome, so it's like a little world living inside you -- actually more like a universe.
A hundred trillion means if you took a blade of grass and planted it for every microbe living in your gut, that could fill a million football fields. So it's incredibly complex. But interestingly, as our bodies have been adapting to life in modern society, we're losing some of our normal microbes, and at the same time, there are quite a few diseases related to the gut that are skyrocketing in developed nations all around the world. And many of you probably know someone who suffers from obesity, diabetes, Crohn's disease or ulcerative colitis,
allergies and asthma. Every one of these diseases and many others related to metabolism and autoimmunity are linked to a loss of healthy diversity in the gut. My lab got our first indication of this when actually we were studying non-human primates. We wanted to find out what happens to a monkey's microbiome when they move from the jungle to a zoo. Does their microbiome change? Do they pick up new bugs? Do they lose some? Does it get better or worse? We tracked two different species in the jungle, one in Vietnam, one in Costa Rica,
and then we sequenced the DNA from their stool. This is how we study the microbiome in my research lab. And what we found in the DNA is that in the wild, these two species had totally different sets of microbes. It was like a fingerprint for the species. But in the zoo, they had lost most of that diversity and had acquired some other set of microbes. So this was very curious. We've got these two different microbiomes. In the wild, picture a lush tropical rainforest living the guts of these monkeys. That's the kind of diversity that we're talking about.
Then in the zoo, they've lost diversity. Picture a rainforest that's been burned to the ground and taken over by a few invasive species. That's more like the microbiome in a captive primate. Now, in the meantime, many of the animals in the zoo are not doing so well. They have issues with obesity, wasting, gastroenteritis, diarrhea, bloating, and some of them were barely holding onto their lives. Now, of course, we were very interested to find out what are these so-called invasive species that are taking over in the zoo.
So we went back to the DNA, and what the DNA told us is that every monkey in the zoo had become dominated by Bacteroides and Prevotella, the same microbes that we all have in our guts as modern humans. We wanted to find a way to visualize this, and we used some tools from multivariate ecology to put all of the microbiomes we were studying onto an axis. And what you're seeing here is a distance plot where every point is a different animal's microbiome. So every point represents a whole zoo of microbes. And the microbiomes that have a lot of microbes in common are close to each other.
The ones that are very different are farther apart. So this is showing you that the two groups of wild monkeys are over on the left. The top left are these highly endangered monkeys called the red-shanked douc in Vietnam. And at the bottom left are monkeys from Costa Rica. So you can see that they have totally different microbiomes in the wild. And then the same two species of monkey in the zoo are converging, so their microbiomes change and they become much more similar to each other, even though these are zoos on different continents, different geographical regions, and they're eating different diets.
Now, we did study some other species of primate. What species of primate do you think is even more divergent from the wild primates than the captive primates? Modern humans. These are humans living in developing nations. So they were more different from the wild primates than those in the zoo. And the final group that we studied, all the way on the right, is people living in the USA. And when I saw this figure, the hairs raised up on the back of my neck, because one way to think about it is, "Oh, that's interesting,
captive monkeys are sort of on their way to becoming like Americans." (Laughter) But the other way to think about it is that Americans are like super-captive monkeys. And I was actually looking at this figure on my computer screen when I got the news that four of the red-shanked doucs had died in the zoo of gut-related issues. So for some of these animals, having the right microbes living inside them may be a matter of survival. Now this brings us to the human part of the story. Obviously, the microbiomes in the USA
aren't causing premature death as frequently as in the zoo, but we have major risk of obesity, diabetes, a number of these other diseases. And this applies not just to people who have been living in the USA for many generations, but also to immigrants and refugees, who, for most immigrant and refugee groups, arrive in the USA metabolically healthy, and then within a few years, they become just as high-risk for obesity and diabetes as other Americans. And we discussed this issue with two groups that have been coming to the USA from Southeast Asia:
the Hmong, who started coming in the mid-1970s as refugees from the Vietnam War and the US secret war in Laos; and the Karen, who have been coming more recently as refugees from Myanmar. So we've been working for a few years with these local communities and clinicians to study what happens to the Hmong and Karen microbiomes when people move from refugee camps and villages in Thailand to the USA. And what we found is that when people come to the USA from these groups, they lose a large fraction of their microbiome, somewhere around 20 percent, and those who come to the USA and become obese
lose about a third of their microbes. So we know that moving to the USA is sufficient to cause a dramatic change in your microbiome, probably not for the better. Are these microbes actually causing the obesity, or is the obesity causing a change in the microbes? This is something that we're following up on, and the evidence we have now in my lab combined with evidence from a number of labs around the world tells us that certain changes in the microbiome do lead to obesity, and a number of other modern, kind of Westernized diseases.
The good news is that your microbiome can actually change. Unlike your own genome, it's a living, breathing thing, and there's a broad front of research happening right now to better understand how we can restore our microbiomes when something goes wrong, using diet, using live microbes. And in fact, one of the next steps for us is collecting and preserving microbes from healthy people around the world so that they can be kept as cultural assets for those groups to potentially protect them as they adapt to modern society,
and to protect future generations who are currently growing up to have increased risk of these diseases with every generation. I'm looking forward to a future where we have the tools that we need to restore and replenish our microbiomes, and in that world, the monkeys will live happier and healthier lives, and so will we. (Applause)