Informacija

6.12.1: Razmatranja u kontroli mikroba - biologija

6.12.1: Razmatranja u kontroli mikroba - biologija


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Kontrola mikrobnog rasta važna je u mnogim poljima, ali stupanj prihvatljive razine mikroba može biti prilično različit.

CILJEVI UČENJA

Otkrijte razmatranja u kontroli mikroba

Ključne točke

  • Kontrola rasta mikroba važna je u medicinskom području, farmaceutskoj i biotehnološkoj industriji, akademskim istraživanjima i prehrambenoj industriji.
  • Stupanj prihvatljive prisutnosti mikroba može se razlikovati ovisno o okolnostima. Sterilizacija kao definicija znači da je cijeli život prekinut, dok se sanitizacija i dezinfekcija završava selektivno i djelomično.
  • Kemijski agensi koji mogu eliminirati ili potisnuti život mikroba podijeljeni su u različite skupine na temelju njihove uporabe. Glavne skupine su dezinficijensi, antiseptici i antibiotici.
  • Antibakterije se dijele u dvije široke skupine prema njihovom biološkom učinku na mikroorganizme: baktericidni agensi ubijaju bakterije, a bakteriostatski agensi usporavaju ili zaustavljaju rast bakterija.

Ključni uvjeti

  • sterilizacija: Svaki proces koji eliminira ili ubija sve oblike života mikroba prisutnih na površini, otopini ili čvrstom spoju.
  • mikrobicidi: Spojevi ili tvari čija je svrha smanjiti infektivnost mikroba, kao što su virusi ili bakterije.
  • parenteralno: Primjenjuje se na neki drugi način osim oralnog unosa, osobito intravenozno ili injekcijom.

Razmatranja u kontroli mikroba

Otkad se pokazalo da mikrobi uzrokuju bolesti, ljudi su izmislili različite tehnike za kontrolu njihovog širenja. Kontrola rasta mikroba važna je u medicinskom području, farmaceutskoj i biotehnološkoj industriji, akademskim istraživanjima i prehrambenoj industriji. Svaka antimikrobna tvar ili agens postiže različitu razinu eliminacije mikroba određenim mehanizmom.

VRSTE KONTROLE MIKROBA

Sterilizacija (ili sterilizacija) je pojam koji se odnosi na bilo koji proces koji eliminira (uklanja) ili ubija sve oblike mikrobnog života, uključujući prenosive agense (kao što su gljivice, bakterije, virusi i oblici spora) prisutne na površini, sadržane u tekućini , u lijekovima ili u spoju. Sterilizacija se može postići primjenom odgovarajućih kombinacija topline, kemikalija, zračenja, visokog tlaka i filtracije.

Kemijski agensi koji mogu eliminirati ili potisnuti život mikroba podijeljeni su u različite skupine na temelju njihove uporabe.

Dezinficijensi su tvari koje se primjenjuju na nežive predmete kako bi se uništili mikroorganizmi koji žive na njima. Dezinfekcija ne mora nužno ubiti sve mikroorganizme, posebno otporne bakterijske spore, pa je manje učinkovita od sterilizacije. Sredstva za dezinfekciju se razlikuju od drugih antimikrobnih sredstava kao što su antibiotici, koji uništavaju mikroorganizme unutar tijela. Sredstva za dezinfekciju se također razlikuju od biocida, jer su oni namijenjeni uništavanju svih oblika života, a ne samo mikroorganizama. Dezinficijensi djeluju tako što uništavaju staničnu stijenku mikroba ili ometaju njihov metabolizam.

Antiseptici su antimikrobne tvari koje se nanose na živo tkivo ili kožu kako bi se smanjila mogućnost infekcije, sepse ili truljenja. Antiseptici se općenito razlikuju od antibiotika po njihovoj sposobnosti da se transportiraju kroz limfni sustav kako bi uništili bakterije u tijelu, te od dezinficijensa koji uništavaju mikroorganizme koji se nalaze na neživim objektima.

Pojam antibiotik prvi je put upotrijebio Selman Waksman i njegovi suradnici 1942. u člancima iz časopisa kako bi opisali bilo koju tvar koju proizvodi mikroorganizam koji je antagonistički prema rastu drugih mikroorganizama u visokom razrjeđenju. Ova definicija isključila je tvari koje ubijaju bakterije, ali ih ne proizvode mikroorganizmi (kao što su želučani sokovi i vodikov peroksid). Također je isključio sintetske antibakterijske spojeve kao što su sulfonamidi. S napretkom u medicinskoj kemiji, većina današnjih antibakterijskih sredstava kemijski su polusintetske modifikacije različitih prirodnih spojeva.

Mnogi antibakterijski spojevi klasificirani su na temelju kemijskog ili biosintetskog podrijetla u prirodne, polusintetske i sintetičke. Drugi sustav klasifikacije temelji se na biološkoj aktivnosti. U ovoj klasifikaciji, antibakterije su podijeljene u dvije široke skupine prema njihovom biološkom učinku na mikroorganizme: baktericidni agensi ubijaju bakterije, a bakteriostatski agensi usporavaju ili zaustavljaju rast bakterija.

Mikrobicidi koji uništavaju virusne čestice nazivaju se viricidi ili antivirusni lijekovi.

RAZINA MIKROBNE PRISUTNOSTI

Stupanj prihvatljive prisutnosti mikroba može se razlikovati ovisno o okolnostima. Sterilizacija kao definicija znači da je cijeli život prekinut, dok se sanitizacija i dezinfekcija završava selektivno i djelomično. I sanitizacija i dezinfekcija smanjuju broj ciljanih patogenih organizama na ono što se smatra "prihvatljivim" razinama - razine s kojima se razumno zdravo, netaknuto tijelo može nositi.

Općenito, kirurški instrumenti i lijekovi koji ulaze u već aseptični dio tijela (kao što je krvotok ili prodiru u kožu) moraju biti sterilizirani na visoku razinu osiguranja sterilnosti (SAL). Primjeri takvih instrumenata uključuju skalpele, hipodermične igle i umjetne elektrostimulatore srca. Na primjer, proizvođači medicinskih uređaja dizajniraju svoje procese sterilizacije za iznimno nizak SAL. Njihovi uređaji "jedan od milijun" trebali bi biti nesterilni.

To je također bitno u proizvodnji parenteralnih lijekova. Priprema injekcijskih lijekova i intravenskih otopina za nadomjesnu terapiju tekućine zahtijeva ne samo visoku razinu osiguranja sterilnosti, već i dobro dizajnirane spremnike za sprječavanje ulaska neželjenih agensa nakon početne sterilizacije proizvoda.

Konzerviranje hrane je još jedno područje gdje se uzima u obzir prisutnost mikroorganizama. Proces obično uključuje sprječavanje rasta bakterija, gljivica (kao što su kvasci) i drugih mikroorganizama (iako neke metode djeluju tako što se u hranu unose dobroćudne bakterije ili gljivice).


6.12.1: Razmatranja u kontroli mikroba - biologija

DUBLIN--(BUSINESS WIRE)--14. lipnja 2021.--

Ovaj tečaj će vas educirati o različitim ključnim elementima osiguranja sterilnosti i kontrole kontaminacije kao što su propisi o čistim sobama, klasifikacija, izvori i vrste čestica, zahtjevi dizajna, validacija/kvalifikacija, operacije, zahtjevi programa praćenja okoliša, istraživanja izleta, trendovi podataka, mikrobiološki procesi/ metodologija, čišćenje/dezinfekcija čistih prostorija.

Vrste mikroorganizama, tipični koraci za ublažavanje posljedica u osiguravanju učinkovite kontrole kontaminacije kroz obuku osoblja (aseptičke prakse, ponašanje u čistoj prostoriji i postupci kontrole kontaminacije), kontrole odijevanja, obuka osoblja, trgovina u čistim sobama (materijal za osoblje u čistoj prostoriji, proizvodi i oprema i praksa za prijenos Također će se raspravljati o obuci (Politika ulaska i izlaska), odijevanju čistih prostorija, Programu kontrole kontaminacije, čišćenja i dezinfekcije te o osnovama procesa sterilizacije – fizikalnim i kemijskim procesima.

Zahtjevi različitih regulatornih tijela kao što je 21 CFR dio 211 (uglavnom relevantan 211.113 “Kontrola mikrobiološke kontaminacije”, ISO 14644 (različiti dijelovi), FDA smjernice za industriju: sterilni lijekovi proizvedeni aseptičnom obradom – trenutna dobra proizvodna praksa”) među praksama drugi i kritičnost aseptičke obrade i drugi ključni evaluatori kontrole kontaminacije tijekom proizvodnje i ispitivanja proizvoda važni su za određivanje kvalitete i puštanje gotovih proizvedenih proizvoda.


Alati za analizu mikrobioma

Tijekom proteklog desetljeća postalo je vrlo jasno da je mikrobiom kritični čimbenik u ljudskom zdravlju i bolesti te ga stoga treba istražiti kako bi se razvile inovativne strategije liječenja. Područje metagenomike prešlo je dug put u iskorištavanju napretka tehnologije sekvenciranja sljedeće generacije što je rezultiralo sposobnošću identificiranja i kvantifikacije svih mikroorganizama prisutnih u ljudskim uzorcima. Međutim, područje metagenomike je još uvijek u povojima, posebno u pogledu ograničenja u računskoj analizi, statističkim procjenama, standardizaciji i validaciji zbog velike varijabilnosti u samim skupinama, eksperimentalnom dizajnu i bioinformatičkim tijekovima rada. Ovaj pregled sažima metode, tehnologije, računske alate i modelne sustave za karakterizaciju i proučavanje mikrobioma. Također raspravljamo o važnim razmatranjima koje istraživači moraju uzeti u obzir kada ispituju uključenost mikrobioma u zdravlje i bolest kako bi se utvrdili robusni rezultati i mehaničke uvide prije prelaska na terapijski dizajn i intervenciju.

Ključne riječi: Analiza podataka Metagenomika Vizualizacija mikrobioma.

Figure

Tehnologije za proučavanje mikrobioma

Tehnologije za proučavanje mikrobioma

Pristup istraživanju mikrobioma "uz krevet, do klupe i natrag do kreveta".


Sintetička biologija za mikrobne biosenzore teških metala

Koristeći tehnologiju rekombinantne DNA, razvijeni su različiti biosenzori cijele stanice za detekciju zagađivača okoliša, uključujući ione teških metala. Biosenzori za cijele stanice imaju nekoliko prednosti: jednostavan i jeftin uzgoj, višestruki testovi i ne zahtijevaju nikakve posebne tehnike za analizu. U eri sintetičke biologije, vrhunske tehnologije sekvenciranja DNK i sinteze gena ubrzale su razvoj staničnih biosenzora. Ovdje sažimamo trenutna tehnološka dostignuća u biosenzorima teških metala u cijeloj stanici, uključujući sintetske biološke komponente (biodijelove), senzorske i reporterske module, genetske sklopove i stanice šasije. Raspravljamo o nekoliko mogućnosti za poboljšanje sintetskih staničnih biosenzora. Prvo, novi funkcionalni moduli moraju biti otkriveni u bazama podataka genoma, a to znanje se mora koristiti za nadogradnju određenih biodijelova putem molekularnog inženjeringa. Drugo, moduli se moraju sastaviti u funkcionalne biosustave u stanicama šasije. Treće, heterogenost pojedinačnih stanica u mikrobnoj populaciji mora biti eliminirana. U perspektivama, razvoj biosenzora u cijeloj stanici također se raspravlja u aspektima metoda uzgoja i sintetskih stanica.

Ovo je pregled sadržaja pretplate, pristup preko vaše institucije.


2 IZAZOVA U KARAKTERIZIRANJU FUNKCIONALNE RAZNOLIKOSTI MIKROBA

2.1 Opći koncept funkcionalne raznolikosti

Funkcionalni pristupi procjeni biološke raznolikosti temelje se na općoj premisi da su za razumijevanje veze između biološke raznolikosti i funkcioniranja ekosustava od većeg interesa funkcije koje organizmi ostvaruju u prirodnim sustavima nego njihov identitet. Pojam “funkcionalna raznolikost” je široko korišten, ali većina studija jednostavno se oslanjala na pretpostavljeno intuitivno razumijevanje značenja pojma i stoga ne postoji jedinstvena definicija, posebno u mikrobnoj ekologiji (Tablica S1, Petchey & Gaston, 2006.). Carmona, de Bello, Mason i Lepš (2016.) dali su jednostavnu i operativnu definiciju funkcionalne raznolikosti kao „varijacije osobina među organizmima“, koja se „procjenjuje kao varijacija osobine u funkcionalnom prostoru koji zauzima an ekološka jedinica.” Ovdje se pojavljuju prilično dvosmisleni pojmovi od ključne važnosti za definiranje mikrobne funkcionalne raznolikosti, ekološke jedinice i funkcionalne osobine.

Ekološka jedinica odgovara bilo kojoj skali na kojoj je smisleno procijeniti funkcionalnu raznolikost, kao što su pojedinačni organizmi, populacije, vrste (ili OTU), zajednice, meta-zajednice, geografske regije i kontinenti (Carmona i sur., 2016.). Za makroorganizme, ekološka jedinica izbora često je zajednica i njezina se funkcionalna raznolikost može procijeniti uzimajući u obzir raspon, distribuciju i varijaciju osobina koje nosi vrsta koje sadrži, ili prosječne vrijednosti svojstava među vrstama (tj. skupljene u zajednici osobine). Bez obzira na odabranu ekološku cjelinu, danas se općenito slaže da konceptualizacija, definiranje, mjerenje i konačno razumijevanje funkcionalne raznolikosti ovise o mjerenju funkcionalnih svojstava (Mlambo, 2014. Petchey & Gaston, 2006.), a pojam "funkcionalna ekologija" teži biti zamijenjen preciznijim izrazom "ekologija temeljena na osobinama" (Shipley i sur., 2016.). Uobičajena definicija funkcionalnih osobina opisuje one koje “utječu na sposobnost organizma putem njegovog učinka na rast, reprodukciju ili preživljavanje” (Violle i sur., 2007.). Ova definicija i njezine novije varijacije (Carmona i sur., 2016. Violle i sur., 2017.) navode da bi funkcionalne osobine trebale biti mjerljive na individualnoj razini, što je rijetko opcija za mikroorganizme. Dok se kvantitativne osobine (npr. površina lista, morfološke karakteristike) mjere na individualnoj razini, a zatim usrednjuju kako bi se procijenila vrijednost osobine za vrstu, kvalitativne osobine (npr. fenološke ili bihevioralne) se češće procjenjuju na razini vrste. Ovaj pristup proizvodi matrice svojstava svojti, koje prikazuju funkcionalne atribute svojti, koje se zatim kombiniraju s matricama svojstava koje predstavljaju sastav zajednica kako bi se procijenila funkcionalna raznolikost zajednica koristeći ad hoc indekse (Mouchet, Villéger, Mason i Mouillot , 2010. Villéger, Mason i Mouillot, 2008.).

Ukratko, funkcionalni pristupi koriste značajke za opisivanje uloge ekoloških jedinica u funkcioniranju prirodnih sustava. U sljedećim odjeljcima vidjet ćemo zašto se definicije funkcionalne raznolikosti i funkcionalnih osobina koje se trenutno koriste u makrobiološkoj ekologiji ne uklapaju s posebnostima mikrobnog svijeta i koje aspekte treba uzeti u obzir kako bismo poboljšali našu sposobnost karakterizacije mikrobne funkcionalne raznolikosti.

2.2 Prema pristupu mikrobne funkcionalne raznolikosti koji se temelji na osobinama

2.3 Razlike između mikro- i makroorganizama u funkcionalnom kontekstu i ograničenja trenutnih teorijskih okvira

Postoje neki koncepti koji se odnose na biološku raznolikost i funkcionalne odnose u makro- i mikrobnoj ekologiji. Na primjer, pozitivan učinak bioraznolikosti na funkcioniranje ekosustava obično se pripisuje dvama neisključivim mehanizmom, odabiru (ili uzorkovanju) i učincima komplementarnosti (Cardinale i sur., 2006. Loreau, Mouquet i Gonzalez, 2003. Loreau i sur., 2001. ). Pojednostavljeno rečeno, učinak selekcije odražava utjecaj jedne hiperkompetitivne vrste na cjelokupnu funkciju zajednice, dok učinak komplementarnosti ovisi o prisutnosti vrsta s komplementarnim svojstvima i rezultat je podjele resursa ili olakšavanja među njima. Oba koncepta izravno se odnose na činjenicu da osobine organizama određuju njihov utjecaj na ekološki proces koji se proučava.

No, postoje značajne razlike između mikro- i makroorganizama koje onemogućuju izravan prijenos ekoloških teorija i koncepata. To uključuje malu veličinu pojedinačnih mikroba koji pridonose njihovoj većoj osjetljivosti na promjene okoliša, njihov brži metabolizam i stope rasta, ali i kolonijalni rast mikroba koji je u suprotnosti s jedinstvenom konstrukcijom većine makroorganizama (Plante, 2017.). Osim ovih općih razmatranja, mikrobna funkcionalna ekologija suočava se s nekoliko velikih izazova koji sprječavaju izravnu primjenu koncepata i metoda razvijenih za makroorganizme.

Vrsta ili OTU jedinica također je problematična jer zahtijeva biblioteku koja odgovara osobinama gena ili OTU-a i zanemaruje intraspecifičnu varijabilnost. Većina ekološki važnih mikroba tek se treba uzgajati, a većina funkcionalnih osobina može se potvrditi samo pomoću kultiviranih svojti. Posljedično, ograničene fiziološke, fizičke i metaboličke informacije dostupne su za procjenu funkcionalne raznolikosti pojedinačnih svojti (Schnoes, Brown, Dodevski i Babbitt, 2009. Turaev & Rattei, 2016.) i zaključak o funkciji iz taksonomije/filogenije može se primijeniti samo na specijalizirane i dobro očuvane funkcije, kao što je metanogeneza (Goberna & Verdú, 2016.). Postojanje HGT-a (Polz i sur., 2006.) i loše definiran koncept prokariotskih vrsta (Gevers i sur., 2005.) čine takvu povezanost još težom. Na temelju metaboličkih ili fizioloških svojstava mjerenih na svojtima koje se mogu uzgajati, mnoge od tih osobina razlikuju se od jednog taksona do drugog i za većinu funkcija postoji malo ili nimalo taksonomske razlučivosti (Louca i sur., 2018. Martiny i sur., 2015.). Funkcionalni pristup, posebno kada se primjenjuje na mikrobe, rješava problem povezanosti svojti i svojstava procjenjujući zajednicu kao multivarijantnu i kontinuiranu distribuciju osobina. Čineći to, moglo bi se okarakterizirati zajednice koristeći učestalost različitih vrijednosti svojstava i zaboraviti na taksonomsku raznolikost.

Drugi izazov predstavlja temeljne razlike u prirodi mjerenih osobina. Doista, osobine makroorganizama često su konstitutivne, odnosno kontinuirano izražene i postoje u ekosustavu sve dok je organizam živ (npr. oblik biljnog lista ili veličina ribljih usta). Iako to može biti slučaj i s mikrobima, na primjer u bakterijskim stanicama koje posjeduju pili ili fitoplanktonske organizme s tvrdom ljuskom, ekspresija mikrobnih osobina obično je izravnije povezana s njihovim okolišem. Doista, veza između genotipa i fenotipa je uža kod mikroba nego kod makroorganizama (Dutilh i sur., 2013. Tamura & D'haeseleer, 2008.). Stoga su mnoga mikrobna svojstva genetski regulirana (npr. metabolički putovi, stvaranje biofilma i virulencija), a njihova indukcija ovisi o veličini populacije, aktivnosti stanica i uvjetima okoline.

Unatoč gore spomenutim ograničenjima, mikrobi vjerojatno predstavljaju najbolji sustav za primjenu funkcionalnih pristupa. S jedne strane, definiranje vrsta je kontroverzno ako ne i nemoguće zbog prijenosa gena i aseksualne reprodukcije, raznolikost je zapanjujuća, a ograničenja uzorkovanja otežavaju mjerenje osobina i funkcija. S druge strane, funkcionalna redundancija je široko rasprostranjena, relativna jednostavnost mikrobne fiziologije olakšava mapiranje gena u funkcije, a nove metode sekvenciranja omogućuju dokumentiranje mnogih gena istovremeno. Funkcionalni pristup se stoga može pojaviti kao rješenje za smanjenje složenosti mikrobnih sustava i bolje razumijevanje njihovog funkcioniranja. Vrijedi napomenuti da je područje mikrobne funkcionalne ekologije prilično novo i da nije uobičajeno primjenjivati ​​mjere raznolikosti funkcija za karakterizaciju mikrobnih zajednica.


Mikrobni pesticidi

Mikrobni pesticidi: biološki resursi, proizvodnja i primjena pruža sažet i pristupačan uvod u povijest mikrobnih pesticida, njihov utjecaj na globalnu ekologiju, ljudsko društvo i gospodarstva, kao i temeljit i opipljiv opis najsuvremenijih tehnologija dostupnih za proizvodnju, primjenu, ograničenja i dugoročnu održivost ovih bioproizvoda. Informacije su navedene po biološkim skupinama (tj. virusi, bakterije, gljive, protozoe, mikrosporidija i mikrobni metaboliti), a potkrijepljene su pouzdanim znanstvenim podacima. Knjiga je obilno ilustrirana, s originalnim slikama koje pojašnjavaju najčešće tehnike i protokole koji se koriste u tehnologiji mikrobiološke biokontrole.

Konačno, slike svih biološki aktivnih sastojaka koji se trenutno koriste u komercijalno proizvedenim formulacijama, kao i laboratorijski razvijene formulacije, ilustrirane su i navedene u detaljnim tablicama za brzi pristup.

Mikrobni pesticidi: biološki resursi, proizvodnja i primjena pruža sažet i pristupačan uvod u povijest mikrobnih pesticida, njihov utjecaj na globalnu ekologiju, ljudsko društvo i gospodarstva, kao i temeljit i opipljiv opis najsuvremenijih tehnologija dostupnih za proizvodnju, primjenu, ograničenja i dugoročnu održivost ovih bioproizvoda. Informacije su navedene po biološkim skupinama (tj. virusi, bakterije, gljive, protozoe, mikrosporidija i mikrobni metaboliti), a potkrijepljene su pouzdanim znanstvenim podacima. Knjiga je obilno ilustrirana, s originalnim slikama koje pojašnjavaju najčešće tehnike i protokole koji se koriste u tehnologiji mikrobiološke biokontrole.

Konačno, slike svih biološki aktivnih sastojaka koji se trenutno koriste u komercijalno proizvedenim formulacijama, kao i laboratorijski razvijene formulacije, ilustrirane su i navedene u detaljnim tablicama za brzi pristup.


Uloga mikrobioma u evoluciji domaćina

U posljednjem desetljeću svjedoci smo velike promjene paradigme u znanostima o životu: priznanju da mikrobiom, tj. skup mikroorganizama povezanih sa zdravim životinjama (uključujući ljude) i biljkama, igra ključnu ulogu u održivom zdravlju i sposobnosti njegov domaćin. Omogućeno brzim napretkom u tehnologijama sekvenciranja i analitičkim metodama, postignut je značajan napredak u identificiranju mikrobnih svojti i razumijevanju odnosa između sastava mikrobioma i fenotipa domaćina. Ova otkrića dovode do novih strategija za poboljšanje zdravlja ljudi i životinja, poboljšanog prinosa usjeva i nutritivne kvalitete te kontrole raznih štetnika i uzročnika bolesti.

Ovaj je članak dio tematskog broja "Uloga mikrobioma u evoluciji domaćina".

1. Uvod

Istraživačka zajednica sve više počinje postavljati različita—i teža—pitanja o osnovama interakcije domaćin-mikrobiom i njihovim evolucijskim posljedicama. To je dovelo u fokus veliku prazninu u našem razumijevanju: ulogu mikrobioma u evoluciji domaćina. U istraživačkoj zajednici postoji istinska zbrka, uključujući zabrinutost da bi tradicionalna evolucijska teorija mogla biti neadekvatna za objašnjenje evolucijskih procesa koji uključuju mikrobiome, te nesigurnost oko najboljeg izbora sustava i pristupa za istraživanje obrasca i procesa iz evolucijske perspektive. Mišljenja su raznolika i često polarizirana.

Naš je cilj za ovo tematsko izdanje dvojak: pružiti pregled trenutnog statusa polja za istraživača, nastavnika i studenta i potaknuti nove ideje i istraživanja, uključujući prijeko potrebnu interdisciplinarnu suradnju za rješavanje mnogih otvorenih problema. Naše je obrazloženje da evolucijska perspektiva promiče razumijevanje bioloških mehanizama interakcija domaćin-mikrob, pružajući objašnjenja za obrasce otkrivene različitim disciplinarnim pristupima, kao što su genetski, fiziološki, bihevioralni ili ekološki. Takva perspektiva može objasniti, na primjer, zašto se neke vrste interakcija javljaju i ponavljaju, dok su druge rijetke ili naizgled odsutne na globalnoj razini, u specifičnim svojtama domaćinima ili pod određenim ekološkim uvjetima. Na primjer, mikrobiom posredovana zaštita od patogena vrlo je raširena i kod životinja i kod biljaka, dok su arheje osim metanogena očito rijetko povezane s eukariotima, a korisne unutarstanične bakterije uglavnom su nepoznate u kralježnjaka, ali su široko rasprostranjene u mnogim skupinama beskralježnjaka. Od jednake važnosti, evolucijsko razumijevanje može pomoći da znanost o mikrobiomu bude predvidljivija: pedantne studije koje pokazuju kako promjena ili eliminacija mikrobioma utječe na osobine domaćina, na primjer, zahtijevaju eko-evolucijski okvir koji će objasniti ove nalaze u širem kontekstu i pomoći u zaključivanju mehanizama i procesa. Uzimajući u obzir, na primjer, kako su se domaćini prilagodili prilagođavanju ili oslanjanju na mikrobiom i posljedice za fenotip i evolucijsku putanju domaćina, mogu objasniti inače zbunjujuće pojave, od izbjeljivanja koralja do učinaka antibiotika. Kako naša znanost postaje sve predvidljivija, njezina primjena za rješavanje stvarnih problema postat će pouzdanija. Neka važna otkrića već su napravljena, uključujući razrješenje Clostridium difficile infekcije u ljudskih pacijenata određenim crijevnim bakterijama, suzbijanje Aedes virus denga groznice koji prenose komarci Wolbachia bakterije, te otpornost biljaka na visoke temperature koje donose endofiti gljiva. To se najbolje može razumjeti u eko-evolucijskom kontekstu: sustavna primjena evolucijskih principa na znanost o mikrobiomu ima potencijal omogućiti transformativni napredak u medicini, poljoprivredi i javnom zdravstvu.

Ovaj svezak koji sadrži 15 recenzija i mišljenja okuplja uvide i stručnost 36 autora iz šest zemalja. Konceptualno, članci se mogu dodijeliti dvjema širokim temama. Prva tema odnosi se na to kako mikrobiom utječe na osobine i sposobnost domaćina, otkrivajući i sveprisutnu ulogu mikrobioma kao selektivne sile na njihove domaćine i kao modaliteta prilagodbe domaćina izazovima okoliša. Druga tema istražuje evolucijski proces na razmjerima od mikroevolucije u populacijama domaćina do makroevolucijske filogenije. Presijecajući ove dvije teme, neki se članci fokusiraju na određene sustave, npr. ljudi, koralje, ribe, dok se drugi oslanjaju na literaturu za mnoge životinjske i biljne sustave ili istražuju opća evolucijska načela bez pozivanja na specifične svojte.

Broj počinje s dva članka koji ističu temeljne evolucijske procese. Prvo, Kolodny i Schulenberg [1] tretiraju mikrobiom kao izvor prilagodljive fenotipske plastičnosti. Oni sugeriraju da se domaćini, suočeni s novim ekološkim izazovom, mogu prilagoditi izazovu kroz promjene u sastavu svog mikrobioma. Takva prilagodba analogna je dobro poznatom Baldwinovom učinku, ali osim toga uključuje povratne petlje i eko-evolucijsku dinamiku koja se odvija u nizu vremenskih skala, prikazujući bogatu sliku adaptivnih procesa. Sljedeći pregled Moellera & Sandersa [2] razvija ovu temu, posebno se usredotočujući na to kako su učinci mikrobioma oblikovali, i vjerojatno nastavljaju oblikovati, evoluciju sisavaca.

Uz ovaj konceptualni okvir, svezak istražuje prilagodljivi odgovor domaćina na mikrobiom iz različitih perspektiva. Tri članka razmatraju fiziološke sustave domaćina koji su u izravnoj interakciji s mikrobiomom. Središnji stupanj u bilo kojem razmatranju interakcija domaćin-mikrobiom je imunološki sustav domaćina, koji i kontrolira i na koji utječu mikrobiološki partneri. Gerardo, Hoang & Stoy [3] razmatraju načine na koje imunološki sustav komunicira s mikrobnim simbiontima i kako imunološki procesi mogu ograničiti evoluciju organizama koji sudjeluju. Komplementarni članak McLaren & Callahan [4] tvrdi da su domaćini prilagođeni promicanju mikrobnih svojti koje daju otpornost na patogene, stvarajući ono što autori prikladno nazivaju 'kooperativnim imunitetom'. Interakciju između metabolizma domaćina i mikrobioma razmatraju Fontaine & Kohl [5], koji istražuju vrijednost razmišljanja o optimalnosti, točnije simorfozu koja pretpostavlja da je metabolizam domaćina strukturiran prirodnom selekcijom kako bi odgovarao funkcionalnim zahtjevima udruge. Temeljeni na trenutnom razumijevanju nutritivnih interakcija između različitih životinja i njihovog mikrobioma, ovi autori predviđaju specifične uzorke koji se mogu testirati u selekcijskim pritiscima za regulaciju metaboličke funkcije domaćina ovisno o mikrobiomu. Ova razmatranja sežu izravno na članak Grieneisena, Muehlbauera i Blekhmana [6], koji razmatra obrasce mikrobne kontrole nad ekspresijom gena kod primata i njihove implikacije na evoluciju primata i čovjeka.

Sve je više dokaza za razvojnu orkestraciju sastava i funkcije mikrobioma, što odražava varijacije u selekcijskim pritiscima i evolucijskim ograničenjima u različitim fazama života domaćina. Povezujući se s novim interesom za međusklop između mikrobioma i teorije životne povijesti, dva članka u ovom broju usredotočuju se na mikrobiom povezan s dvije ključne životne faze. Nyholm [7] razmatra učestalost i posljedice interakcija jaje-mikrobiom kod životinja. Donedavno se većina mikroorganizama povezanih s jajima opisivala kao biološki 'tihi' stupanj prijenosa koji osigurava kolonizaciju tek izleženog potomstva mikrobima majke. Nyholm poziva na radikalnu ponovnu procjenu adaptivne evolucije jaja u svjetlu sve većeg dokaza da mikroorganizmi povezani s jajima mogu zaštititi jaje od abiotskih stresova i prirodnih neprijatelja (i grabežljivaca i patogena). Na drugom kraju životnog vijeka životinja, Popkes & Valenzano [8] sažimaju nalaze o utjecaju mikrobioma na preživljavanje kako organizmi stare, koristeći posebno uvide iz nedavnih studija kralježnjaka i njihovih mikrobioma, te raspravljaju o uključenim mehanizmima i načinima u kojima je to moglo utjecati na evoluciju domaćina i koevolucijsku dinamiku domaćin-mikrobiom. Razvojna orkestracija odnosa domaćin-mikrobiom također uključuje lokalizaciju mikrobioma, uključujući prilagodbe domaćina koje ograničavaju mikroorganizme na određene organe ili mjesta u tijelu. Chomicki, Werner, West & Kiers [9] pregledavaju različite načine kompartmentalizacije mikrobioma u biljkama, kukcima i kralježnjacima i raspravljaju o tome kako to omogućuje domaćinu da kontrolira protok resursa, da razlikuje kooperativu od defektnih mikrobnih partnera i da manipulira sastavom mikrobioma . Odmjeravajući troškove i prednosti kompartmentalizacije, oni istražuju različite pritiske selekcije koji su mogli odrediti koji su domaćini razvili kompartmentalizaciju, a koji nisu. Jedan oblik kompartmentalizacije uključuje simbiotske organe, tj. organe čija je jedina funkcija smjestiti i održavati mikrobne partnere. Douglas [10] usvaja evolucijski razvojni (evo-devo) pristup kako bi istražio kako razvojna biologija simbiotskih organa može pružiti uvid u njihovo evolucijsko podrijetlo i zalaže se za veću upotrebu genetskih tehnologija kako bi se testiralo može li očuvani genetski sklop stajati u osnovi naizgled konvergentna evolucija simbiotskih organa u različitim linijama domaćina.

Mogući učinci mikrobioma na ponašanje privukli su veliku pozornost i donedavno više nagađanja nego podataka. Kako se akumuliraju dokazi o korelatima ponašanja o prisutnosti i sastavu mikrobioma, evolucijska perspektiva postaje imperativ. Srećom, čvrst konceptualni okvir pruža dobro uspostavljena disciplina bihevioralne ekologije. Ovo izdanje uključuje dva poticajna i provokativna članka mišljenja koji ilustriraju mogućnosti interdisciplinarne sinteze između istraživanja mikrobioma i bihevioralne ekologije. Gurevich, Lewin-Epstein & Hadany [11] izlažu teoretski model utjecaja mikrobioma na brigu o oca, uključujući posljedice mikrobiom posredovane manipulacije ponašanja domaćina na strategije parenja i roditeljstva mužjaka domaćina. Natan, Fitak, Werber & Vortman [12] sugeriraju da informacije koje domaćini potječu od magnetotaktičkih bakterija u njihovim mikrobiomima mogu biti odgovor na dugogodišnju zagonetku: kako životinje, od protista do ptica, osjete magnetska polja? They lay out supporting evidence for this suggestion, and they discuss various specific mechanisms by which hosts might incorporate information from resident magnetotactic microbes.

The closing articles of the issue return to the theme of how the microbiome affects pattern and process in host evolution. Two articles focus on specific systems. Hawkes, Bull & Lau [13] reinforce and build on the several articles that address the evolutionary consequences of microbiomes with defensive function. Focusing on plants, they explore the micro-evolutionary consequences of microbiomes that confer protection against both pathogens and abiotic stress, including an analysis of the impact of host–microbial partner fidelity on the evolutionary trajectory of these relationships. The article by van Oppen & Medina [14] on scleractinian corals illustrates how genome sequence data can shed light on the genetic basis of interactions with bacterial and algal partners and the ecological success of these associations. Finally, Koskella & Bergelson [15] address a pressing question facing the study of microbiome effects on host evolution: can these complex and dynamic associations be accommodated within current understanding of evolutionary and coevolutionary processes? This article reviews current understanding of (co)evolution between hosts and microbiomes, including the patterns of selection on the partners, as individuals and a group, and provides a fresh and informed perspective on this hotly debated issue.

Together, the articles in this issue demonstrate the key opportunities and challenges that an evolutionary perspective can offer to researchers in the discipline of microbiome science. Evolutionary thinking provides the basis for rational explanation and prediction in biology, and it is most powerful when combined with explicit formulation of testable hypotheses. Our discipline is most fortunate to have access to a broad range of genetic, phylogenetic, physiological, behavioural and ecological methodologies. These tools and an evolutionary mindset offer the strongest route for scientific advance in our understanding and application of host–microbiome interactions.


Principles of Vaccination

While many of the currently available vaccines have been developed empirically, with limited understanding on how they activate the immune system and elicit protective immunity, the recent progress in basic sciences like immunology, microbiology, genetics, and molecular biology has fostered our understanding on the interaction of microorganisms with the human immune system. In consequence, modern vaccine development strongly builds on the precise knowledge of the biology of microbial pathogens, their interaction with the human immune system, as well as their capacity to counteract and evade innate and adaptive immune mechanisms. Strategies engaged by pathogens strongly determine how a vaccine should be formulated to evoke potent and efficient protective immune responses. The improved knowledge of immune response mechanisms has facilitated the development of new vaccines with the capacity to defend against challenging pathogens and can help to protect individuals particular at risk like immunocompromised and elderly populations. Modern vaccine development technologies include the production of highly purified antigens that provide a lower reactogenicity and higher safety profile than the traditional empirically developed vaccines. Attempts to improve vaccine antigen purity, however, may result in impaired vaccine immunogenicity. Some of such disadvantages related to highly purified and/or genetically engineered vaccines yet can be overcome by innovative technologies, such as live vector vaccines, and DNA or RNA vaccines. Moreover, recent years have witnessed the development of novel adjuvant formulations that specifically focus on the augmentation and/or control of the interplay between innate and adaptive immune systems as well as the function of antigen-presenting cells. Finally, vaccine design has become more tailored, and in turn has opened up the potential of extending its application to hitherto not accessible complex microbial pathogens plus providing new immunotherapies to tackle diseases such as cancer, Alzheimer's disease, and autoimmune disease. This chapter gives an overview of the key considerations and processes involved in vaccine development. It also describes the basic principles of normal immune respoinses and its their function in defense of infectious agents by vaccination.

Ključne riječi: B cell Immunology Infectious disease Pathogen T cell Vaccination Vaccine.


Predictive interactome modeling for precision microbiome engineering

Accounting for context-dependent alterations in microbial interaction networks is key for accurate microbiome modeling.

Integration of multi-omics data into predictive interactome modeling enables precision microbiome engineering.

Combining process-based/data-driven modeling with ecological theory is important for future advances.

Microbiome engineering aims to manipulate, control, and design community-level properties through targeted interventions of existing microbial communities or the construction of new synthetic consortia. These efforts often lead to unexpected or undesirable outcomes because of highly complex input-output relationships that are primarily ascribable to adaptive responses of interspecies interactions to perturbation. Therefore, accurate prediction of microbial interaction networks and context-specific organization will aid success in future microbiome engineering efforts. Here, we review state-of-the-art modeling approaches to evaluate their scope of prediction as u silikonu tools for microbiome design. We highlight the utility of advanced models for predicting context-dependent interactions, multi-omics data integration, and combined use of complementary modeling and computational tools for enhanced prediction and eventual facilitation of u silikonu microbiome design.


Zaključci

Like existing molecular epidemiology technologies, the translation of population studies of the human microbiome will require complex processes in order to achieve observational discovery, reproducibility across cohorts, and mechanistic validation (typically in models or in vitro). To date, a small number of studies have achieved this goal. For example, combining mouse models with a small cohort of 20 human subjects, Haiser and colleagues [111] built on decades of work linking Eggerthella lenta to inactivation of digoxin [112] to identify an operon that is expressed in a strain-specific manner in a subset of human microbiome carriers. As a further example, it has been shown that early-life exposure to distinct forms of taxon-specific lipopolysaccharide correlate with immune development and type 1 diabetes (T1D) risk, a result that was subsequently confirmed in mouse models (Box 5) [16]. Finally, in Clostridium difficile infection, models linking antibiotic exposure to bacterial species that are responsible for secondary bile acid synthesis in the gut have been successful in reducing recurrence [113]. In each of these cases, a combination of human population surveys with appropriate statistical modeling and mechanistic follow-up was able to identify specific bioactive microbes and, often, molecules. Further examples are emerging, particularly in the area of cancer immunotherapy, which can be dramatically modulated by the microbiome [114].

One of the outstanding gaps in translational population-scale microbiome studies is the lack of frameworks integrating host and microbiome functional properties at scale. For example, functional profiling of microbiome metagenomes and metatranscriptomes might be combined with cell-circuit reconstructions of immune cell subsets [115] and with electronic medical records for precision medicine. At the methodological level, few profiles of the microbiome have been carried out with scale and precision appropriate for advanced machine-learning tools such as causal inference and mediation analysis. Indeed, it is not yet clear which covariates should be collected to disambiguate cause from effect in the highly modifiable microbiome, particularly to facilitate risk-prediction models or clinical decision-making tools incorporating microbiome profiles. The microbiome has shown a remarkable combination of long-term persistence (e.g., strain retention for months or years [41, 116, 117]) with modifiability by a wide range of environmental factors (diet, pharmaceuticals, physical activity, age, and so on), making population structure and unobserved confounders a risk in large cohort studies.

Finally, human population studies provide a starting point for the follow-up characterization of microbial biochemical mechanisms, which can integrate characterization techniques such as culture-based physiology, microbial metabolism, co-culture, and interactions. Several of the most successful translational microbiome studies to date have—as in other areas of molecular epidemiology—begun with a population-level observation that was, eventually, traced back to one or more specific molecular mechanisms. In the case of the microbiome, this provides unique opportunities not only for prioritization of novel human drug targets, but also for the modulation of microbial activities by small molecules, diet or prebiotics, targeted probiotics, or engineered microbes or communities. To achieve these goals, studies of the microbiome must continue to refine the multiomic tools in the setting of population-scale epidemiology with rich study designs that can fully realize the therapeutic and diagnostic potential of the microbiome.

Box 5. An integrative analysis of longitudinal microbiome multiomics: the DIABIMMUNE study

The DIABIMMUNE (Pathogenesis of Type 1 Diabetes—Testing the Hygiene Hypothesis) [118] study of the microbiome in the development of infant type 1 diabetes (T1D) is one example that incorporates many of the aspects of microbiome epidemiology discussed here. The DIABIMMUNE cohort includes newborn infants with genetic susceptibility to autoimmune disorders who were followed for 3 years with monthly stool sampling and collection of phenotype data through serum samples and questionnaires. This design was constructed to enable multiple types of microbiome analyses, such as tracking the longitudinal trajectories of the developing microbiomes, studying the implications of common early-life events (e.g., birth mode, weaning, introduction of solid foods, antibiotic courses) and case–control comparison between diseased and healthy children.

One of the study’s first analyses of the gut microbiome focused on early-life colonization and the development of islet autoimmunity and T1D [1]. The sub-cohort included four children with early onset T1D, seven children with T1D-associated autoantibodies, and 22 healthy controls. All subjects provided monthly stool samples, regardless of disease status, yielding a detailed view of microbiome structure and function during early development (including the transition to solid food). Strains in particular were subject-specific and retained for substantial periods of time, even during this active developmental window. In an early example of multiomic data integration, a subset of 214 serum and 104 stool samples were also profiled using untargeted mass spectrometry techniques, allowing covariation between metabolites and microbial taxa to be assessed statistically.

Another analysis within this study followed neonates from Finland, Estonia, and Russia, motivated by the disparate autoimmune prevalence between these three countries [16]. This began with 16S amplicon sequencing of > 1500 stool samples from 222 infants (74 per country), allowing the assessment of broad trends in microbiome development over time. These initial amplicon data were then used to select a representative set of 785 stool samples for metagenomic sequencing, which enabled deeper analyses including taxonomic and functional profiling, and strain tracking. All of these features were then amenable to linear mixed-effect modeling in order to identify aspects of the gut microbiome that covaried with phenotypes such as age, geography, early feeding, and mode of birth.


Gledaj video: Physical methods of microbial control (Srpanj 2022).


Komentari:

  1. Dirck

    I believe that you are wrong. Siguran sam. Pošaljite mi e -poštu u PM, razgovarat ćemo.

  2. Durg

    Otkrivam da niste u pravu. Pišite u PM, razgovarat ćemo.

  3. Sameh

    što u takvom slučaju učiniti?

  4. Zulugul

    Bolje nemoguće!



Napišite poruku