As populações microsca³picas de bactanãrias em nossos intestinos são, de certa forma, iguais a nós: elas vivem em comunidades, comem, trabalham, se reproduzem e eventualmente morrem. Muitas dessas espanãcies bacterianas vivem em harmonia com nosso corpo, proporcionando benefa­cios para nosem troca de nutrientes e abrigo. Quando os tipos certos de bactanãrias não conseguem estabelecer a relação simbia³tica adequada com nosso corpo, podemos estar em maior risco de uma variedade de doenças imunola³gicas, neurolégicas e metaba³licas.

Agora, em colaboração com o Broad Institute do MIT e Harvard, os pesquisadores da Caltech descobriram que uma certa espanãcie de bactanãria se comporta de maneira diferente dependendo de onde no intestino ele se instala. O trabalho foi realizado em modelos de camundongos, mas o mapeamento da geografia das populações microbianas no intestino - coletivamente chamado de microbioma intestinal - pode ser crucial para um dia ser capaz de tratar e remodelar um microbioma humano que deu errado.

A pesquisa foi conduzida principalmente no laboratório de Sarkis Mazmanian , Luis B. e Nelly Soux, Professor de Microbiologia e Investigador do Instituto de Pesquisa Manãdica do Patrima´nio. Um artigo que descreve a pesquisa aparece em 9 de mara§o na revista Nature Microbiology .

Durante muitos anos, o laboratório Mazmaniano descreveu como o Bacteroides fragilis no intestino produz moléculas benanãficas que protegem os ratos contra doenças inflamata³rias intestinais e sintomas semelhantes ao autismo . Como uma cidade densamente povoada, uma grande maioria dos B. fragilis no intestino vive na parte central do tubo intestinal, chamada laºmen. No entanto, o laboratório Mazmaniano descobriu em 2013 que alguns B. fragilisresidem no equivalente bacteriano de pequenas cidades, aninhadas em bolsas microsca³picas dentro das paredes de tecido que revestem o tubo. Essas populações esparsas são protegidas pelo muco e, em grande parte, não são afetadas pelos antibia³ticos, sugerindo que eles agem como reservata³rios populacionais que garantem a colonização a longo prazo.

"Para os seres humanos, onde vivemos pode ditar como nos comportamos - por exemplo, uma pessoa que vive em uma cidade provavelmente tem uma vida cotidiana diferente daquela que vive em uma pequena comunidade rural", diz o ex-aluno Gregory Donaldson (PhD '18) , o primeiro autor do novo artigo. "Para as bactanãrias que estudamos, o intestino representa seu mundo inteiro, então quera­amos saber o quanto diferente eles se comportam, dependendo da distância dasuperfÍcie intestinal."

Embora possam viver em habitats diferentes dentro do intestino, essas populações de B. fragilis tem o mesmo ca³digo genanãtico. O que pode diferir, no entanto, écomo eles expressam esses genes - uma bactanãria estãoexpressando um gene para replicação e divisão, por exemplo, ou talvez para uma enzima que digere alimentos? Donaldson teve como objetivo medir e comparar a expressão gaªnica nessas duas populações (tecido da parede intestinal e laºmen do intestino) para determinar quais diferenças, se houver alguma, foram observadas.

Isso representou um desafio tanãcnico. Como a população de bactanãrias que vivem no revestimento de tecidos émuito pequena, seu material genanãtico fica obscurecido durante o sequenciamento pelo material genanãtico das células do rato, que émuito mais abundante que o das bactanãrias. Embora ratos e bactanãrias sejam distintamente diferentes geneticamente, peneirar o RNA do mouse para encontrar o RNA bacteriano écomo encontrar uma agulha no palheiro.

Aqui, uma colaboração crucial com Ashlee Earl, do Broad Institute, tornou possí­vel a pesquisa. Earl e sua equipe lideraram o desenvolvimento de uma nova técnica, chamada de seleção ha­brida de seqa¼enciamento de RNA, projetada para pescar os fios indescrita­veis do RNA bacteriano, como usar um a­ma£ para procurar agulhas no palheiro.

"Inspirados por uma abordagem anterior para sequenciar pequenas populações de parasitas no sangue humano, desenvolvemos uma técnica que poderia aumentar a quantidade de RNA bacteriano que podera­amos detectar nessas amostras ricas em hospedeiros por ordens de magnitude", diz Earl. "Essa técnica não apenas ajudou a revelar um novo aspecto da relação Bacteroides- host, mas agora nos fornece uma ferramenta mais geral para ouvir as conversas entre humanos e seus habitantes mais raros".

Esta técnica revelou que B. fragilis residente no tecido intestinal ésurpreendentemente metabolicamente ativo e prosperando, apesar de sua população mais escassa. Donaldson e sua equipe descobriram que um gene especa­fico dessas bactanãrias os ajuda a estabelecer uma posição no revestimento do tecido. Sem esse gene, eles não conseguem colonizar esse habitat, o que éprejudicial a  colonização do animal a longo prazo.

Em contraste, B. fragilis que vive no laºmen estãoocupado digerindo alimentos e nutrientes, mas parece estar mais focado em sobreviver do que em crescer. Isso sugere que asuperfÍcie epitelial érealmente o habitat preferido para essas bactanãrias.

Como o B. fragilis no intestino éconhecido por fornecer proteções benanãficas ao hospedeiro, este trabalho sugere que uma relação espacialmente a­ntima énecessa¡ria para esses efeitos positivos. Por fim, entender como as bactanãrias estabelecem residaªncia e persistem no intestino pode levar a novas estratanãgias para reforçar um microbioma humano sauda¡vel para prevenir ou tratar doena§as.

"Embora saibamos muito sobre quais bactanãrias residem nos seres humanos por meio de técnicas de seqa¼enciamento de DNA e como a associação a  comunidade microbiana muda como resultado de doenças ou outros fatores, sabemos muito menos o que as bactanãrias estãofazendo enquanto vivem dentro de nós", diz Mazmanian. "Pela primeira vez, este trabalho nos da¡ um vislumbre do estilo de vida e comportamento de uma importante bactanãria intestinal humana, enquanto coloniza camundongos. Saber o que as bactanãrias principais estãorealmente fazendo no intestino pode ajudar a desenvolver terapias lógicas e robustas a partir do microbioma".

O artigo éintitulado "Fisiologia espacialmente distinta de Bacteroides fragilis no ca³lon proximal de camundongos gnotobia³ticos". Além de Donaldson, Earl e Mazmanian, co-autores adicionais são Wen-Chi Chou, Abigail Manson, Peter Rogov, James Bochicchio, Dawn Ciulla, Alexandre Melnikov e Georgia Giannoukos, do Broad Institute of MIT and Harvard; Thomas Abeel, do Instituto Amplo do MIT e da Universidade de Tecnologia de Harvard e Delft; e Peter Ernst e Hiutung Chu, da UC San Diego. O financiamento foi fornecido pelos Institutos Nacionais de Saúde, pelo Instituto de Pesquisa Manãdica Heritage e pela National Science Foundation.

Mazmanian éum membro do corpo docente afiliado do Instituto Tianqiao e Chrissy Chen de Neurociaªncia da Caltech . Donaldson agora ébolsista de pa³s-doutorado na Universidade Rockefeller. Enquanto estava na Caltech, recebeu o Praªmio Lawrence L. e Audrey W. Ferguson por excelente tese de doutorado em biologia, bem como o Praªmio de Doutorado Milton e Francis Clauser por sua tese sobre pesquisa de microbiomas relacionados.