Mikrobiom (grč. μικρός – mikrós = mali + βίος – bíos = život) je zajednica mikroorganizama koja se obično može naći kako žive zajedno u bilo kojem staništu. Tačnije su ga definisali 1988. Whipps et al. kao "karakterističnu mikrobnu zajednicu koja zauzima razumno dobro definirano stanište koje ima različita fizičko-hemijska svojstva. Termin se stoga ne odnosi samo na mikroorganizme koji su uključeni, već i obuhvata njihovo pozorište aktivnosti". U 2020., međunarodni panel stručnjaka objavio je rezultate svojih rasprava o definiciji mikrobioma. Oni su predložili definiciju mikrobioma zasnovanu na oživljavanju "kompaktnog, jasnog i sveobuhvatnog opisa pojma" kako su ga izvorno dali Whipps et al., ali je dopunjen sa dva paragrafa objašnjenja. Prvi pasus objašnjenja izgovara dinamički karakter mikrobioma, a drugi pasus jasno odvaja pojam "mikrobiota" od pojma "mikrobiom .
Mikrobiota se sastoji od svih živih članova koji formiraju mikrobiom. Većina istraživača mikrobioma se slaže da se bakterije, archaea, gljive, alge i mali protisti trebaju smatrati članovima mikrobioma. Integracija faga, virusa, plazmida i mobilnih genetićkih elemenata je kontroverznija. Whippsov "teatar aktivnosti" uključuje esencijalnu ulogu koju sekundarni metabolit ima u posredovanju složenih interakcija među vrstama i osiguravanju opstanka u konkurentskim okruženjima. Određivanje kvoruma izazvano malim molekulama omogućava bakterijama da kontroliraju kooperativne aktivnosti i prilagođavaju svoje fenotipove biotskom okruženju, što rezultira, naprimjer, adhezijom ćelija-ćelija ili formiranjem biofilma.
Sve životinje i biljke formiraju asocijacije s mikroorganizmima, uključujući protiste, bakterije, arheje, gljive i viruse. U okeanu, odnosi između životinja i mikroba su historijski istraženi u sistemima jedan domaćin-simbiont. Međutim, nova istraživanja raznolikosti mikroorganizama koji se povezuju s različitim domaćinima morskih životinja pomjeraju polje u studije koje se bave interakcijama između životinjskog domaćina i višečlanog mikrobioma. Potencijal mikrobioma da utiče na zdravlje, fiziologiju, ponašanje i ekologiju morskih životinja mogao bi promijeniti dosadašnja shvatanja o tome kako se morske životinje prilagođavaju promjenama. Ovo se posebno odnosi na rastuće promjene vezane za klimu i antropogene promjene koje već utiču na okean. Biljni mikrobiom ima ključnu ulogu u zdravlju biljaka i proizvodnji hrane i dobio je značajnu pažnju posljednjih godina. Biljke žive u zajednici sa različitim mikrobnim konzorcijima, koji se nazivaju biljna mikrobiota, koji žive i unutar (endosfera) i izvan (episfera) biljnog tkiva. Oni imaju važnu ulogu u ekologiji i fiziologiji biljaka. Smatra se da osnovni biljni mikrobiom sadrži ključne mikrobne taksone bitne za zdravlje biljaka i za kondiciju biljnog holobionta. Isto tako, sisarski crijevni mikrobiom (zastarjeli, a pogrešni naziv “crijevna flora”) se pojavio kao ključni regulator fiziologije domaćina, a koevolucija između domaćina i mikrobnih loza odigrala je ključnu ulogu u prilagođavanju sisara njihovom raznolikom životnom stilu.
Istraživanje mikrobioma nastalo je u mikrobiologiji još u sedamnaestom stoljeću. Razvoj novih tehnika i opreme podstaknuo je mikrobiološka istraživanja i izazvao promjene paradigme u razumijevanju zdravlja i bolesti. Razvoj prvih mikroskopa omogućio je otkrivanje novog, nepoznatog svijeta i doveo do identifikacije mikroorganizama. Infektivne bolesti su postale najraniji fokus interesovanja i istraživanja. Međutim, samo mali dio mikroorganizama je povezan s bolešću ili patogenošću. Ogromna većina mikroba je neophodna za zdravo funkcioniranje ekosistema i poznata je po korisnim interakcijama s drugim mikrobima i organizmima. Koncept da mikroorganizmi postoje kao pojedinačne ćelije počeo je da se menja, kako je postajalo sve očiglednije da se mikrobi pojavljuju unutar kompleksnih sklopova u kojima su interakcije vrsta i komunikacija kritični. Otkriće DNK, razvoj tehnologija sekvenciranja, lančane polimerazne reakcije (PCR) i tehnika kloniranja omogućilo je istraživanje mikrobnih zajednica korištenjem pristupa nezavisnih od uzgoja. Daljnje promjene paradigme dogodile su se početkom ovog stoljeća i još uvijek traju, budući da su nove tehnologije sekvenciranja i akumulirani podaci o sekvenci istakli i sveprisutnost mikrobnih zajednica u vezi sa višim organizmima i kritičnu ulogu mikroba u zdravlju ljudi, životinja i biljaka. Oni su revolucionirali mikrobnu ekologiju. Analiza genoma i metagenoma na visokoj propusnosti sada pruža vrlo efikasne metode za istraživanje funkcionisanja kako pojedinačnih mikroorganizama, tako i čitavih mikrobnih zajednica u prirodnim staništima.
Pozadina
Historija Istraživanje mikrobioma nastalo je u mikrobiologiji i počelo je još u sedamnaestom stoljeću. Razvoj novih tehnika i opreme potaknuo je mikrobiološka istraživanja i izazvao promjene paradigme u razumijevanju zdravlja i bolesti. Pošto su zarazne bolesti pogađale ljudsku populaciju kroz većinu historije, medicinska mikrobiologija je bila najraniji fokus istraživanja i javnog interesa. Osim toga, mikrobiologija hrane je staro polje empirijskih primjena. Razvoj prvih mikroskopa omogućio je otkriće novog, nepoznatog svijeta i doveo do identifikacije mikroorganizama. Modified text was copied from this source, which is available under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Pristup do tada nevidljivom svijetu otvorio je oči i umove istraživača sedamnaestog stoljeća. Antonie van Leeuwenhoek je istraživao različite bakterije raznih oblika, gljive i protozoe, koje je nazvao životinje, uglavnom uzoraka iz vode, blata i zubnih naslaga, i otkrio biofilm kao prvi pokazatelj interakcije mikroorganizama unutar složenih zajednica. Objašnjenje Roberta Kocha porijekla bolesti ljudi i životinja kao posljedice mikrobnih infekcija i razvoj koncepta patogenosti je bila važna prekretnica u mikrobiologiji. Ovi nalazi su pomjerili fokus istraživačke zajednice i javnosti na ulogu mikroorganizama kao uzročnika bolesti koje je trebalo eliminirati.
Međutim, opsežna istraživanja u proteklom stoljeću pokazala su da je samo mali dio mikroorganizama povezan s bolešću ili patogenošću. Ogromna većina mikroba je neophodna za funkcionisanje ekosistema i poznata je po korisnim interakcijama sa drugim mikrobima, kao i makroorganizmima. Zapravo, održavanje zdravog mikrobioma ključno je za ljudsko zdravlje i može biti meta za nove terapeutike.Merchak A, Gaultier A. Microbial metabolites and immune regulation: New targets for major depressive disorder. Brain Behav Immun Health. 2020 Nov 2;9:100169. doi: 10.1016/j.bbih.2020.100169. PMID 34589904; PMCID: PMC8474524. Krajem devetnaestog stoljeća, mikrobna ekologija je započela pionirskim radom, koji su pokrenuli Martinus W. Beijerinck i Sergei Winogradsky. Novouspostavljena nauka mikrobiologija životnog okruženja rezultirala je još jednom promjenom paradigme: mikroorganizmi su posvuda u prirodnom okruženju, često povezani sa domaćinima i, po prvi put, bilo je opisano njihovop blagotvorno djelovanje na njihove domaćine .Hiltner L. (1902) "Die Keimungsverhältnisse der Leguminosensamen und ihre Beeinflussung durch Organismenwirkung". In: Parey P and Springer J (Eds.) Arb Biol Abt Land u Forstw K Gsndhtsamt, 3, Berlin. Pages 1–545.Metchnikoff E. The prolongation of life: optimistic studies. GP Putnam's Sons; 1908.
Nakon toga, koncept da mikroorganizmi postoje kao pojedinačne ćelije počeo je da se menja jer je postajalo sve očiglednije da se mikrobi pojavljuju unutar složenih skupova u kojima su interakcije vrsta i komunikacija kritične za dinamiku populacije i funkcionalne aktivnosti.Bassler, B.L. (2002) "Small talk: cell-to-cell communication in bacteria". Cell, 109(4): 421–424. . Otkriće DNK, razvoj tehnologije sekvenciranja, lančane reakcija polimeraze (PCR) i kloniranja omogućilo je istraživanje mikrobnih zajednica korištenjem DNK i nezavisnih od uzgoja. Pristupi su zasnovani I na RNK.Brul, S., Kallemeijn, W. and Smits, G. (2008) "Functional genomics for food microbiology: molecular mechanisms of weak organic-acid preservative adaptation in yeast". CAB Rev, 3: 1–14. .
Daljnji važan korak bilo je uvođenje filogenetskih markera kao što je 16S rRNK gen za analizu mikrobne zajednice koje su pšokrenuli Carl Woese i George E. Fox 1977. godine. Danas biolozi mogu barkodirati bakterije, archaea, gljive, alge i protiste u njihovim prirodnim staništima, npr. ciljanjem njihovih 16S i 18S rRNK gena, unutrašnjeg razmaka transkripcije (ITS), ili, alternativno, specifičnih funkcionalnih regija gena koji kodiraju za specifične enzime.Uksa, M., Schloter, M., Endesfelder, D., Kublik, S., Engel, M., Kautz, T., Köpke, U. and Fischer, D. (2015) "Prokaryotes in subsoil—evidence for a strong spatial separation of different phyla by analysing co-occurrence networks". Frontiers in microbiology, 6: 1269. .Maritz, J.M., Rogers, K.H., Rock, T.M., Liu, N., Joseph, S., Land, K.M. and Carlton, J.M. (2017) "An 18S rRNA workflow for characterizing protists in sewage, with a focus on zoonotic trichomonads". Microbial ecology, 74(4): 923–936. .Purahong, W., Wubet, T., Lentendu, G., Schloter, M., Pecyna, M.J., Kapturska, D., Hofrichter, M., Krüger, D. and Buscot, F. (2016) "Life in leaf litter: novel insights into community dynamics of bacteria and fungi during litter decomposition". Molecular Ecology, 25(16): 4059–4074. .
Još jedna velika promjena paradigme započeta je početkom ovog stoljeća i traje do danas, jer su nove tehnologije sekvenciranja i akumulirani podaci o sekvenci istakli i sveprisutnost mikrobnih zajednica u povezanosti unutar viših organizama i kritičnu ulogu mikroba u ljudskom životu , zdravlje životinja i biljaka.Lozupone, C.A., Stombaugh, J.I., Gordon, J.I., Jansson, J.K. and Knight, R. (2012) "Diversity, stability and resilience of the human gut microbiota". Nature, 489(7415): 220–230. . Ove nove mogućnosti su revolucionirale mikrobnu ekologiju, jer analiza genoma i metagenoma na način visoke propusnosti pruža efikasne metode za rješavanje funkcionalnog potencijala pojedinačnih mikroorganizama, kao i cijele zajednice u njihovim prirodnim staništima.Venter, J.C., Remington, K., Heidelberg, J.F., Halpern, A.L., Rusch, D., Eisen, J.A., Wu, D., Paulsen, I., Nelson, K.E., Nelson, W. and Fouts, D.E. (2004) "Environmental genome shotgun sequencing of the Sargasso Sea". Science, 304(5667): 66–74. .Liu, L., Li, Y., Li, S., Hu, N., He, Y., Pong, R., Lin, D., Lu, L. and Law, M. (2012) "Comparison of next-generation sequencing systems". BioMed Research International, 2012: 251364. .Multiomika tehnologije uključujući metatranskriptom, metaproteom i metabolom pristupe sada pružaju detaljne informacije o mikrobnim aktivnostima u okruženju. Na osnovu bogate osnove podataka, kultivacija mikroba, koja je često bila ignorirana ili potcijenjena u posljednjih trideset godina, dobila je novu važnost, a visoka propusnost kultutomike je sada važan dio alata za proučavanje mikrobioma. Veliki potencijal i moć kombinovanja višestrukih "omičkih" tehnika za analizu interakcija domaćin-mikrob istaknuti su u nekoliko recenzija.Stegen, J.C., Bottos, E.M. and Jansson, J.K. (2018) "A unified conceptual framework for prediction and control of microbiomes". Current Opinion in Microbiology, 44: 20–27. .Knight, R., Vrbanac, A., Taylor, B.C., Aksenov, A., Callewaert, C., Debelius, J., Gonzalez, A., Kosciolek, T., McCall, L.I., McDonald, D. and Melnik, A.V. (2018) "Best practices for analysing microbiomes". Nature Reviews Microbiology, 16(7): 410–422. .