Modeling microbial dynamics of the human infant gut

Nyere forskning har vist at mikrobene i tarmen er svært viktige i vertsorganismens helse, og moderne vitenskap har i stor grad begynt å anse tarmfloraen som et eget og uunnværlig organ. Allikevel har vi en svært ufullstendig forståelse av koloniseringsprosessen i friske spebarn. I vårt prosjekt har vi analysert mer en 3000 avføringsprøver fra 12 friske barn over det første året av deres liv for å se på denne prosessen i detalj. Dette er det mest omfattende studiet av sitt slag, og dataene vi har produsert vil være et viktig verktøy for forskere over hele verden. Dette studiet er nå under review hos den prestisjetunge journalen Nature Communications. En slående ting ved våre resultater er hvor individuell koloniseringsprosessen er. F.eks. er to av barna i studiet søsken født med to års mellomrom, og disse to individenes tarmflora har ikke stort mer til felles enn to ubeslektede barn. Ett unntak var et par toeggede tvillinger. Disse to var svært like hverandre gjennom hele koloniseringsprosessen, til tross for at det ene barnet gikk gjennom en intensiv behandling over tre uker, med fem typer intravenøs og oral antibiotika, for en luftveisinfeksjon med streptokokker i en alder av 1-2 måneder. Dette utbruddet kunne vi faktisk også detektere i tarmfloraen til den ene men ikke den andre tvillingen. Antibiotikabehandlingen påvirket heller ikke dynamikken til de største gruppene av streptokokker, som var slående lik i de to tvillingene. Selv om individualitet var et påfallende fenomen, så var det også fellestrekk mellom barna. For alle fulgte koloniseringsprosessen et lignende mønster over tid, med tydelige stadier fra null til ett år. Overgangen mellom stadiene kunne være glidende eller brå, og kunne påvirkes av aktiviteter som reising. Vi så også at selv om barna var ulike så finnes det en periode omkring 100-150 dager der barna ligner hverandre langt mer enn ellers. Denne perioden sammenfalt grovt sett med den tiden barna begynte å få babymat i tillegg til morsmelk. Vi tror at dette forårsaker en sterk seleksjonsprosess som gjør at barna fremstår som en mer homogen gruppe i løpet av denne perioden. Vi har også observert at koloniseringsprosessen er utpreget ikke-lineær. F.eks. vil diversiteten av bakterier i tarmen, på generell basis, øke i løpet av livets første år, men økningen er kun unntaksvis monoton, og det er helt vanlig å se perioder med synkende diversitet. Dette kan forårsakes av aktiviteter som reising til fremmed steder eller bruk av antibiotika. Som en del av vårt prosjekt har vi, sammen med forskere fra Norsk Sekvenseringssenter, utviklet en teknologiplattform for presis og kostnadseffektiv karakterisering av bakterieinnholdet et stort antall komplekse prøve fra naturlige miljøer ved hjelp av DNA sekvensering. Så vidt vi vet er dette den eneste tilgjengelige plattformen i Norge på nåværende tidspunkt, vi har hatt en rekke samarbeidsprosjekter som har dratt nytte av denne nye teknologien. Vi har jobbet sammen med forskere fra Universitetet i Addis Ababa for å se på hvordan endringer i ressurstilgang kan påvirke tarmfloraen i etiopiske chlorocebus-aper. Dette studiet ble nylig publisert. Vi har videre jobbet sammen med forskere fra bl.a. University of Southern California, University of Wisconsin-Madison og Harvafd University for å karakterisere tarmfloraen i etiopiske gelada-aper. Disse apene er unike i at de hovedsakelig lever av gress, selv om deres tarmsystem anatomisk sett ligner på andre primater. Vi fant at mange av bakteriene i geladaens tarm også finnes i sauens rumen, altså den delen av drøvtyggerens tarmsystem hvor nedbrytning av cellulose finner sted. Dette studiet holder vi nå på å revidere for snarlig publikasjon. Vi har vellykkede samarbeid med Dr. Johannes Hov og Prof. Knut Lundin på Rikshospitalet som har resultert i gode publikasjoner. På CEES jobber vi med Dr. Melissah Rowe på overføring av patogener mellom spurvefugler, samt med Dr. Anders Nielsen på effekten av plantegifter på tarmfloraen til bier. Vi har videre innledet et samarbeid med Dr. Kristin Herstad ved NMBU hvor vi ønsker å se på tarmflora i forhold til gastrointestinale lidelser hos hunder. Vi har assistert det store HUNT4 studiet, hvor vi karakteriserte bakterieinnholdet i en rekke avføringsprøver for å etablere optimale protokoller for oppbevaring samt isolering av DNA. Det forventes at HUNT4 vil produsere et stort antall avføringsprøver og det er viktig at disse får en standardisert behandling, og at det finnes teknologi på plass som kan håndtere det store volumet. Vi befinner oss i en posisjon der vi har helt spesiell kompetanse til å rådgi i saker som studiedesign og analysemetoder. Vi har også bidratt til studiedesign i oppfølgingsstudiet HUNT5. I tillegg har vi hjulpet biotech selskapet ACHIM Biotherapeutics med å karakterisere deres product for restaurering av tarmflora som behandling mot dysbiose. Dette inkuderte effekter av lagrings ?og transportprotokoller.

Recent research has revealed numerous important roles that the microbes of the gut play in host physiology, development and disease, but as of yet we do not have good quantitative models of the gut microbial community as a dynamic ecosystem. In our propos ed project we will aim to develop predictive models of human infant gut bacterial dynamics by producing and analysing data that are suitable for this purpose. We have an on-going sampling effort that by early 2014 should have produced more than 2200 faeca l samples from 6 infants (3 female and 3 male). For each infant the samples represent a daily record from birth to one year of age. In order to produce appropriate data for statistical modelling we will carry out deep 16S rRNA gene amplicon sequencing of this sample set, as well as shotgun metagenomic sequencing of selected samples. In spite of the huge recent interest in the gut microbial community, there has been relatively little effort toward developing statistical and mathematical mo dels that describe the dynamics of this ecosystem as a function of environmental and biotic variables. The main goal of the project will be to explore community dynamic processes using statistical and computational techniques in order to identify and quan tify biotic variables that can explain temporal variation in population abundances, and ultimately develop models that enable us to predict future system states given information on past and present states. Examples of such endeavours are scarce, but, giv en the increasing effectiveness and diminishing operating costs of high throughput molecular technologies like next generation sequencing (NGS), data availability should no longer form a barrier against progress in this field. We believe that the time is right for gut microbial biology to be taken to the next step as a quantitative science.