Metagenomikk er studiet av alle mikroorganismer (mikrobiota) som utgjør et samfunn i en økologisk nisje på en organisme, eller på deler av en organisme. Mikrobiota kan også være studier av alle mikroorganismene som danner samfunn på overflater i vann eller jord. Mikrobiomet inngår som en fundamental partner i individøkosystemet menneske (menneskets mikrobiomprosjekt), dyr eller plante. Mikrobiomet hos mennesker utgjør en viktig del av immunsystemet og beskyttelse mot sykdom, og er livsnødvendig i fordøyelsen av mat. Forstyrrelser (dysbiosis) og bistabilitet i mikrobiomet kan bidra til sykdomstilstander. Et velfungerende mikrobiom i likevekt (homeostase) er vanligvis robust (resilient) mot forstyrrelser, men når det først passerer et vippepunkt kan det være vanskelig å bringe det tilbake til sin opprinnelige tilstand (hysterese).
Mennesket et gående økosystem
Som større økosystemer som påvirkes av økologiske faktorer og bli utsatt for forstyrrelser, kan mikrobiomet hos dyr og mennesker bli utsatt for forstyrrelser. Det er indikasjoner på at forstyrrelser i mikrobiomet kan være medvirkende i en rekke sykdomstilstander som fedme, astma, diabetes 2, fibromyalgi, og autoimmunsykdommer. Hos mennesket er det fra 500-1000 forskjellige arter bakterier lokalisert til alle kroppens overflater og hulrom. Til sammen har mikrobiomet en masse på ca. 1- 2 kilo hos et voksent menneske, og med ca. samme celleantall som menneskekroppen (1013 celler) (her viser litteraturen litt forskjellige tall, også 1014). Mikrobiomet i tykktarmen hos mennesket kan også betraktes som et endokrint organ som samvirker med kroppscellene. Mikrobiomet produserer kortkjedete fettsyrer (eddiksyre (acetat), smørsyre (butyrat), propionsyre (propionat) og melkesyre (laktat) som tas opp fra tykktarmen og kan påvirke celler i kroppen, både som energikilde og som signalstoffer som virker via G-proteinkoblete reseptorer. Dessuten deltar mikrobiota i omsetning av gallesyrer, og produksjon av vitamin B12 og vitamin K. Mikrobiomet danner et eget genom med mange ganger flere gener enn menneskekroppens eget genom i cellekjerner og mitokondrier. Mikrobiomet danner egne næringsnett og næringskjeder lokalt på utsiden eller inne i menneskekroppen. Organismene i mikrobiomet kommuniserer seg imellom via quorium-signaler, og sender signaler til vertsdyret, og kan påvirke dyrets eller menneskets atferd, en form for altruisme forklart via Grønnskjeggeffekten. Helogenomteori for evolusjon ser ikke bare på evolusjon av en dyreart, men på hele hologenomet tilknyttet arten
Forside Nature vol 464, Issue 7285, 4 March 2010
Metagenomics of the human intestinal tract-project
Metagenomikk gir oversikt over antall arter i mikrobiomet. Mikrobiomet sammen med kroppen utgjør for hvert enkelt individ et eget økosystem som deler av et større. Mange bakteriearter er felles for mange, men noen individer kan inneholde spesielle arter.
Kroppshabitatene med mikrobiomer er huden, nese, munnhule, emalje på tenner, hals, svelg, gastrointestinalt (magetarmsystem med magesekk, tolvfingertarm, tynntarm, tykktarm, galleganger), kjønnsorganer og urogenitialt (urinveier, vagina), lunger, kroppsvæsker (urin, spytt, sædvæske, slim, svette). I et prinsipalkomponentplot, en statistisk metode for å vise den totale variasjonen i mikrogenomet som finnes og projisere den ned i et plan med to akser, prinsipalkomponent 1 og 2 som forklarer den meste av variasjonen, så finner man at mange av bakterieartene er lokalisert til egne steder på kroppen. Huden danner et eget leveområde (habitat) med egne nisjer med bakteriepopulasjoner i armhuler, i skrittet og mellom tærne på føttene, i hudfolder, og på hendene. Leveområdene for mikrobiomet kan være aerobt med god tilgang på oksygen, som på huden, men være anaerobt uten oksygen i magetarmsystemet som i tykktarmen e.g. metanogene bakterier. Man kan dele bakteriene inn i "gode bakterier" som er nyttige og livsnødvendige, og de "dårlige bakteriene" som kan gi sykdom og kroppsforstyrrelser. Som eksempel kan melkesyrebakterier med forskjellige arter Lactobacillus hindre vekst av sopp og andre bakterier ved så surgjøre sine nærmeste omgivelser, mens smørsyrebakterier i armhuler eller vagina kan gi dårlig lukt, andre forstyrrelser kan gi bakteriell vaginose eller candidiasis fra soppinfeksjon (Candida-arter). Mange av bakteriene i mikrobiomet danner biofilm med komplekse bakterie- og virussamfunn (bakteriofager), Selv om noen bakterieartene er potensielt sykdomsfremkallende (patogene) blir de holdt under kontroll av de andre artene i bakteriesamfunnet. Gule stafylokokker kan leve ufarlig på overflaten av huden, men kommer de gjennom forsvarsverkene i huden og inn i kroppen kan de gi alvorlig sykdom. Flere bakteriearter er nøytrale og lever som kommensaler, men de fleste har gunstig effekt og er livsnødvendige i omsetning av mat og produksjon av noen vitaminer. Dette gjelder oss og de andre virveldyrene inkludert pattedyr. Spesielt velutviklet er mikrobiomet som lever av plantekost, plantespiserne, de herbivore f.eks. tarmfloraen hos drøvtyggere og enmagedyr (hest, hare, bever). Hare og bever er eksempler på koprofage dyr som spiser sin egen avføring for å kunne øke omsetning av tungt nedbrytbart plantemateriale.
Mikrobiomet blir etablert allerede når ungen passerer fødselskanalen (vagina) hos moren. Keisersnitt gir en mer krevende etablering av et mikrobiom. Via kroppskontakt, kyssing, slikking og mating får den nyfødte etablert et mikrobiom basert på slektningene på stedet. Antall arter og biodiversiteten i mikrobiomet øker med omgivelsene, avhengig av variasjonen i maten og mengde kostfiber de planter, grad av renslighet på stedet, om det er kjæledyr, husdyr eller ville dyr i nærheten.
En mulig inndeling av tarmbakterier i bakteriesamfunn er enterotype 1 (Bacteroides), eneterotype 2 (færre Bacteroides, men flere Prevotella) eller eneterotype 3 (Ruminococcus), som påvirkes av type mat, nasjonalitet, alder, og kjønn. Operasjonelle taksonomiske enheter (OTU) klassifisert og gruppert som Jensen-Shannon divergens. Det er alltid en vanskelighet med å definere et bakteriesamfunn og grensen til andre e.g. Firmiucutes. Jensen-Shannon avstand angir et mål på likhet mellom sannsynlighetsfordelinger, og brukes innen bioinformatikk til å sammenligne genomer.
Forside Nature vol 550, 7674, 5. oktober 2017. Microbiome. Detecting diversity, S12–S14.
Forstyrrelser i mikrobiomet
Dysbiose eller dysbakteriose er forstyrrelser i artssammensetningen i mikrobomet i munn, mage-tarmsystemet, luftveier eller vagina. Periodontitt (periodontitis) med tannløsing er resultat av dysbiose i mikrobiomet i munnen hvor den Gram-negative bakterien Prevotella dominerer og gir betennelser (inflammasjoner). En eller flere kurer med antibiotikabehandling gir endringer i mikrobiomet, ikke bare at det også bidrar til generell antibiotikaresistens. Avhengig av type antibiotikum blir flere bakteriearter mer eller mindre utryddet fra mikrobiomet, og som gir andre arter nye livsmuligheter. For eksempel trøske, sopp som infiserer slimhinnen i munnen etter antibiotikabehandling. Visse typer mat har stor betydning for å kunne ha et variert mikrobiom. Ensidig kosthold basert på industrimat gir liten biodiversitet i mikrobiomet. I motsetning til plantekost med kostfiber (plantecellevegger med cellulose, hemicellulose, beta-glukaner. lignin) og stoffer som fungerer som mat i mikrobiomet i tykktarmen e.g. fruktaner, og oligosakkarider, som krever flere nedbrytningsveier. Plantekost inneholder i tillegg tusenvis av forskjellige stoffer hvorav flere er helsefrembringende og reduserer betennelser i kroppen. Flere har uttrykt bekymring om effekten på mikrobiomet av den lange rekke innholdsstoffer som er tilsatt maten i moderne næringsmiddelindustri, og at disse kan gi forstyrrelser i artssammensetning og mengdeforhold av bakterier. Det gjelder blant annet stoffer som skal redusere bakterievekst i maten (e.g. nitritt), og emulgatorer som gir blanding av fettfase og vannfase, stabilisatorer etc. e.g. karboksymetylcellulose, polysorbat. Man er også usikker på langstidseffekter av såkalte probiotika. Mikrobiomet endrer seg med aldringsprosessen, og etter døden overtar et nekrobiom. I noen tilfeller har det vært mulig å handle et mikrobiom ute av likevekt med fekaltransplantasjon (avføringstransplantasjon) e.g. behandling av Clostridium difficile og irritabel tarm, Crohns etc.. Imidlertid kan avføring inneholde mange patogener, slik at her må man vite hva man gjør og ikke forverrer en situasjon. En annen oppdagelse av at et velfungerende mikrobiom har betydning for effekten av immunterapi i kreftbehandling. Faecalibacterium prausnitzii er en Gram-positiv bakterie i mage-tarmsystemet som lever som kommensal og lager kortkjedete fettsyrer fra nedbrytning av kostfiber, men gir forstyrrelser hvis det blir færre av dem.
Kostholdsindustrien ved å selge probiotika (tilførsel av "gunstige" bakterier) eller prebiotika som gir næring til tarmfloraen.
Metagenomikk og mikrobiomet
Høykapsitets sekvenseringsteknikker bl.a. 16S rRNA sekvensering, og helgenom haglskuddsekvensering har gitt økt kunnskap om artene som inngår i mikrobiomet. Et eget fagområde, økogenetikk, tar for seg genomene i et økosystem. Et menneske består av ca. like mange (ca. 1013) kroppsceller som bakterieceller, noe som også har skapt diskusjon om hva er egentlig et individ. Det skjer innen biovitenskap en stor forskningsaktivitet omkring mikrobiomer hos alle eukaryoter. I årene som kommer vil det dukke opp navn på bakteriearter som har sin helt spesielle funksjon i mikrobiomet til nytte for vertsorganismen.
Mykobiom er samlingen av sopparter i mikrobiomet på indre og ytre overflater. Protozoobiomet er tilsvarende genomet til alle protozooene i mikrobiomet.
Munnhule og mikrobiom
Munnhulen har en meget rik mikrobiell flora, flere hundre arter som lever i biofilm på nisjer som slimhinner, tunge, tenner og tannhalser. Munnhulen skifter mellom aerobt og anaerobt miljø. Munnhulen danner et eget økosystem med komplekse næringsnett med både syreproduserende og syrenøytraliserende bakterier. Sakkarolyttiske bakterier omsetter sukker til melkesyre. Proteolyttiske bakterier frigir peptider og aminosyrer fra protein som kan avgi ammoniakk som virker syrenøytraliserende, mens svovelaminosyrene cystein og metionin gir svovelllukt fra munnen (hydrogensulfid, metylmerkaptan, dimetylsulfid). Bakterier kan omsette aminosyrer som aspartat, glutatmat, de greinete aminosyrene (isoleucin, leucin, valin), prolin etc. Sukker form av glukose fra nedbrytning av stivelse og sukrose, samt fruktose omdannes til via glykolyse (Embden-Meyerhof-Parnas veien) til pyruvat. Pyruvat blir vider omsatt til melkesyre (laktat) eller til eddiksyre (acetat) eller maursyre (format)Bakterieslekter som finnes I munnhulen er Streptococcus, Actinomyces, Prevotella, Fusobacterium, Eubacterium, Campylobacter, Veillonella, Porphyromonas gingivalis.
Porphyromonas gingivalis ka gi kronisk periodontitt og bakteriene Actinobacillus actinomycetemcomitans,Tannerella forsythia,Treponema denticola, Streptococcus mutans, Streptococcus parasanguini og Fusobacterium nucleatum kan medvirke. Actinomycin meyeri kan leve som kommensal i munnslimhinnen.
Gamle som får bivirkninger av medisiner som gir redusert spyttsekresjon og mindre tannbeskyttelse kan sammen med dårlig tannstell og munnhygiene gi endringer i mikrobiomet i munnen som til og med kan påvirke hjernemikrobiomet.
Kutant ikrobiom
Huden er kroppens største organsystem med areal ca. 1.8 kvadratmeter (m2) hos en voksen. Hudmikrobiomet består og en heterogen samling med forskjellige arter bakterier, sopp og virus er adaptert til å utnytte næringsstoffene som er tilgjengelige på overflaten av huden Mikrobiomet på huden har en viktig funksjon i tilknytning til det kutane (l. cutis – hud) medfødte immunsystemet og adaptive immunsystemet. Et velfungerende kutant mikrobiom blant med melkesyrebakterier, lav pH og frie fettsyrer viker som en barriere som hindrer kolonisering av sykdomsfremkallende bakterier og sopp.
Epidemis er dekket av en hudoverflate hvor det er utløp fra svettekjertler og det sikker ut hårskaft omgitt i huden av en hårskjede som står i tilknytning til talgkjertler. Hudsekkene (hårfolliklene), talgkjertlene og svettekjertlene (eksokrine og apokrine) befinner seg i underhuden dermis. Hornlaget (stratum coreneum) er det ytterste laget på epidermis, inneholderkeratinocytter og består av ibriller med keratin omgitt av proteinet filaggrin og lipiider s i form av plateeptiel (squame, l. squame - skjell ). Huden er et kontinuerlig selvfornytende organ og er dekket blir dekket av salter (elektrolytter) fra hudsvette
Firmicuterog bakteroidetes er meste vanlig i munn og tarmkanal, mens aktinobakterier (med slekter som Propionibacterium, Corynebacterium og Brevibacterium kan være mer vanlig på hudmikrobiomet.
Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermis på huden kan være potensialt sykdomsfremkallende hvis de kommer inn i sår i huden
Mallassezia sp. og Propionbacterium acnes leever som kommensraler på huden.
Hudmikrobiomet blir påvirket av alder, klima, kjønn, kroppskontakt, livsstil, personlig variasjon og hygiene, sollys med UV, fysisk trening, yrke, underliggende sykdommer og overdreven såpevask. Hudfolder ved armhuler, kneledd, skrittet og tærne, samt hårskallen (skalp), mellom øyebryn (glabella), nesen med nesebor, bak ørene, glans penis, vulva, fotsålene, hælene, brystvorter gir spesielle livsbetingelser for det kutane mikrobiomet. I noen tilfeller kan skabbmidd (Sarcoptes scabei), hudmidd (Demodex brevis og Demodex folliculorum) og kroppslus invadere økosystemet på huden.
Mikrobiom i hjernen
Mikrobiomet I tykktarmen kan påvirke hjernen, men det har kommet indikasjoner om at også i hjernen kan ha et mikrobiom. Blod-hjernebarriæren er en membranstruktur som beskytter sentralnervesystemet fra å bli invadert av bakterier, virus og protozoo-parasitter som blir fraktet rundt i kroppen med blodet . Imidlertid finnes det parasitter som lever inne i celler (intracellulært) og utfor for celler (ekstracellulært) som har egenskaper som gjør at de kan trenge gjennom blod-hjernebarriræen som en del av infeksjonsprosessen og gir nevrologiske forstyrrelser og potensielle skader . Parasitten Trypanosoma brucei og Toxoplasma gondii er parasitter som kan krysse blodhjerne-barriæren. Flere typer parasitter kan i seinere stadier av infeksjonsprosessen passere blodhjernebarrieren og eventuelt inngå i et hjernemikrobiom med nevropatologiske effekter. Eksempler ercerebral malaria som en komplikasjon ved infeksjon med malariaparaistten Plasmodium falciparum . Afrikansk sovesyke (trypanosomiasis) forårsaket av trypanosomer. Nevrotoksoplasmose med toksoplasmaparasitten Toxoplasma gonndii. Nevrocysticercosis fra infeksjon med flatormen grisens bendelorm (Taenia solium). Neuroschistomiasis mfra infeksjon med blodikten og rundormen Schistosoma mansoni. Hundens bendelorm (Echinococcus granulosus) og revens dvergbendelorm (Echinococcus multilocularis) som gir echinococcosis. Både bakterier og virus kan infektere hjenehinnene. Syfilisbkaterien Treponema kan i hardsjanker passere inn i hjernen. Man har spekulert om flere typer nevrodegenerative sykdommer kan ha tilknytninger til forstyrrelser av mikrobiomer.
Mikrobiom fra hunder og katter over til mennesker
Mikrobiomet fra hunder og katter som lever i nær kontakt med mennesker kan fra dyrnenes mikrobiom overføre arter til mennesker med uheldige konsekvenser. Or eksempel Toxoplasma-parasitten som smitter via katter. Fra domestisert katt og hunn og mikroiota kan Capnocytophaga canimorsus fra smitte via spytt og bitt og kan gi blodforgiftning hos mennesker. Det samme kan Pasteurella mutocia. Vær litt skeptisk til å la hunder og katter slikke deg i fjeset. Slikking i feset er en atferd hos hund for å vise underdanighet.
Litteratur
Alloo J, Leleu I, Grangette C, Pied S. Parasite infections, neuroinflammation, and potential contributions of gut microbiota. Front Immunol. 2022 Dec 8;13:1024998. doi: 10.3389/fimmu.2022.1024998.
Arabi TZ, Alabdulqader AA, Sabbah BN, Ouban A. Brain-inhabiting bacteria and neurodegenerative diseases: the "brain microbiome" theory. Front Aging Neurosci. (2023) 19;15:1240945. doi: 10.3389/fnagi.2023.1240945.
Link C. D. (2021). Is there a brain microbiome? Neurosci. Insights 16:26331055211018709. doi: 10.1177/26331055211018709
Quinn et al.: Niche partitioning of a pathogenic microbiome driven by chemical gradients. Sci. Adv. 2018; 4 : eaau1908 26 September 2018
Wikipedia