Информация

6.12.1: Съображения в микробния контрол - биология

6.12.1: Съображения в микробния контрол - биология


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.

Контролът на микробния растеж е важен в много области, но степента на приемливи микробни нива може да бъде доста различна.

ЦЕЛИ НА ОБУЧЕНИЕТО

Открийте съображения при микробния контрол

Ключови точки

  • Контролът на микробния растеж е важен в медицинската област, фармацевтичната и биотехнологичната индустрия, академичните изследвания и хранително-вкусовата промишленост.
  • Степента на приемливо присъствие на микроби може да се различава в зависимост от обстоятелствата. Стерилизацията като дефиниция означава, че целият живот е прекратен, докато дезинфекцията и дезинфекцията се прекратяват избирателно и частично.
  • Химическите агенти, които могат да елиминират или потискат микробния живот, са разделени в различни групи въз основа на тяхната употреба. Основните групи са дезинфектанти, антисептици и антибиотици.
  • Антибактериалните средства са разделени на две широки групи според биологичния им ефект върху микроорганизмите: бактерицидните агенти убиват бактериите, а бактериостатичните агенти забавят или спират растежа на бактериите.

Ключови условия

  • стерилизация: Всеки процес, който елиминира или убива всички форми на микробен живот, присъстващ върху повърхност, разтвор или твърдо съединение.
  • микробициди: Съединения или вещества, чиято цел е да намалят инфекциозността на микроби, като вируси или бактерии.
  • парентерално: Прилага се по някакъв начин, различен от орален прием, особено интравенозно или чрез инжекция.

Съображения при микробния контрол

Откакто е доказано, че микробите причиняват болести, хората са изобретили различни техники, за да контролират разпространението им. Контролът на микробния растеж е важен в медицинската област, фармацевтичната и биотехнологичната индустрия, академичните изследвания и хранително-вкусовата промишленост. Всяко антимикробно вещество или агент постига различно ниво на микробно елиминиране чрез определен механизъм.

ВИДОВЕ МИКРОБЕН КОНТРОЛ

Стерилизация (или стерилизация) е термин, отнасящ се до всеки процес, който елиминира (отстранява) или убива всички форми на микробния живот, включително трансмисивни агенти (като гъби, бактерии, вируси и спорови форми), присъстващи на повърхността, съдържаща се в течност , в лекарства или в съединение. Стерилизацията може да бъде постигната чрез прилагане на правилни комбинации от топлина, химикали, облъчване, високо налягане и филтрация.

Химическите агенти, които могат да елиминират или потискат микробния живот, са разделени в различни групи въз основа на тяхната употреба.

Дезинфектантите са вещества, които се прилагат върху неживи предмети, за да унищожат микроорганизмите, които живеят върху тях. Дезинфекцията не убива непременно всички микроорганизми, особено резистентните бактериални спори, така че е по-малко ефективна от стерилизацията. Дезинфектантите са различни от други антимикробни агенти като антибиотиците, които унищожават микроорганизмите в тялото. Дезинфектантите също са различни от биоцидите, тъй като те са предназначени да унищожат всички форми на живот, а не само микроорганизмите. Дезинфектантите действат като унищожават клетъчната стена на микробите или пречат на техния метаболизъм.

Антисептиците са антимикробни вещества, които се прилагат върху жива тъкан или кожа, за да се намали възможността от инфекция, сепсис или гниене. Антисептиците обикновено се различават от антибиотиците по способността на последните да се транспортират през лимфната система, за да унищожат бактериите в тялото, и от дезинфектантите, които унищожават микроорганизмите, открити върху неживи предмети.

Терминът антибиотик е използван за първи път през 1942 г. от Selman Waksman и неговите сътрудници в статии в списания, за да опишат всяко вещество, произведено от микроорганизъм, което е антагонистично на растежа на други микроорганизми във високо разреждане. Тази дефиниция изключва вещества, които убиват бактериите, но не се произвеждат от микроорганизми (като стомашни сокове и водороден прекис). Той също така изключва синтетични антибактериални съединения като сулфонамидите. С напредъка в медицинската химия повечето от днешните антибактериални средства химически са полусинтетични модификации на различни естествени съединения.

Много антибактериални съединения се класифицират въз основа на химичен или биосинтетичен произход на естествени, полусинтетични и синтетични. Друга система за класификация се основава на биологична активност. В тази класификация антибактериалните средства са разделени на две широки групи според биологичния им ефект върху микроорганизмите: бактерицидните агенти убиват бактериите, а бактериостатичните агенти забавят или спират растежа на бактериите.

Микробицидите, които унищожават вирусните частици, се наричат ​​вирициди или антивирусни средства.

НИВО НА МИКРОБНО ПРИСЪСТВИЕ

Степента на приемливо присъствие на микроби може да се различава в зависимост от обстоятелствата. Стерилизацията като дефиниция означава, че целият живот е прекратен, докато дезинфекцията и дезинфекцията се прекратяват избирателно и частично. Както дезинфекцията, така и дезинфекцията намаляват броя на целевите патогенни организми до това, което се счита за „приемливи“ нива – нива, с които може да се справи разумно здраво, непокътнато тяло.

Като цяло хирургическите инструменти и лекарства, които влизат в вече асептична част на тялото (като кръвния поток или проникват през кожата), трябва да бъдат стерилизирани до високо ниво на гарантиране на стерилност (SAL). Примери за такива инструменти включват скалпели, подкожни игли и изкуствени пейсмейкъри. Например, производителите на медицински изделия проектират своите процеси на стерилизация за изключително нисък SAL. Техните устройства „едно на милион“ трябва да са нестерилни.

Това също е от съществено значение при производството на парентерални фармацевтични продукти. Приготвянето на инжекционни лекарства и интравенозни разтвори за терапия за заместване на течности изисква не само високо ниво на гарантиране на стерилност, но и добре проектирани контейнери за предотвратяване на навлизането на случайни агенти след първоначалната стерилизация на продукта.

Консервирането на храни е друга област, в която се взема предвид наличието на микроорганизми. Процесът обикновено включва предотвратяване на растежа на бактерии, гъбички (като дрожди) и други микроорганизми (въпреки че някои методи работят чрез въвеждане на доброкачествени бактерии или гъбички в храната).


6.12.1: Съображения в микробния контрол - биология

ДЪБЛИН--(BUSINESS WIRE)--14 юни 2021 г.--

Този курс ще ви обучи за различни ключови елементи на осигуряване на стерилност и контрол на замърсяването, като например разпоредби за чисти помещения, класификация, източници и видове частици, изисквания за проектиране, валидиране/квалификация, операции, изисквания на програмата за мониторинг на околната среда, проучвания на екскурзии, DataTrending, микробиологични процеси/ методология, почистване/дезинфекция на чисти помещения.

Видовете микроорганизми, типичните стъпки за смекчаване на въздействието при осигуряване на ефективен контрол на замърсяването чрез обучение на персонала (асептични практики, поведение в чистата стая и процедури за контрол на замърсяването), контрол на облеклото, обучение на персонала, трафик на чисти помещения (материали за персонал в чистата стая, продукти и оборудване и практика за трансфер Обучение (политика за влизане и излизане), облекло в чисти помещения, програма за контрол на замърсяването, почистване и дезинфекция и основите на процесите на стерилизация – физически и химични процеси.

Изискванията на различните регулаторни органи, като 21 CFR, част 211 (най-вече уместен 211.113 „Контрол на микробиологичното замърсяване“, ISO 14644 (различни части), FDA Ръководство за индустрията: стерилни лекарствени продукти, произведени чрез асептична обработка – текуща добра производствена практика“) други и критичността на асептичната обработка и други ключови оценители за контрол на замърсяването по време на производството и тестването на продуктите са важни за определянето на качеството и освобождаването на готовите произведени продукти.


Инструменти за анализ на микробиома

През последното десетилетие стана изключително ясно, че микробиомът е критичен фактор за човешкото здраве и болести и следователно трябва да бъде изследван за разработване на иновативни стратегии за лечение. Областта на метагеномиката измина дълъг път в използването на напредъка на технологиите за секвениране от следващо поколение, което води до способността за идентифициране и количествено определяне на всички микроорганизми, присъстващи в човешките проби. Въпреки това, областта на метагеномиката все още е в начален стадий, по-специално по отношение на ограниченията в изчислителния анализ, статистическите оценки, стандартизацията и валидирането поради огромната променливост в самите кохорти, експерименталния дизайн и биоинформационните работни процеси. Този преглед обобщава методите, технологиите, изчислителните инструменти и моделните системи за характеризиране и изследване на микробиома. Ние също така обсъждаме важни съображения, които изследователите трябва да вземат, когато разпитват участието на микробиома в здравето и болестта, за да установят стабилни резултати и механистични прозрения, преди да преминат към терапевтичен дизайн и интервенция.

Ключови думи: Анализ на данни Метагеномика Визуализация на микробиома.

Фигури

Технологии за изследване на микробиома

Технологии за изследване на микробиома

Подход „от леглото, до пейката и обратно до леглото“ за изследване на микробиома


Синтетична биология за микробни биосензори за тежки метали

С помощта на рекомбинантна ДНК технология са разработени различни биосензори за цели клетки за откриване на замърсители на околната среда, включително йони на тежки метали. Целоклетъчните биосензори имат няколко предимства: лесно и евтино култивиране, множество анализи и не изискват специални техники за анализ. В ерата на синтетичната биология, авангардни технологии за секвениране на ДНК и генен синтез ускориха развитието на клетъчни биосензори. Тук обобщаваме настоящите технологични постижения в биосензорите за тежки метали с цели клетки, включително синтетичните биологични компоненти (биочасти), сензорни и репортерни модули, генетични вериги и шаси клетки. Обсъждаме няколко възможности за подобряване на синтетичните клетъчни биосензори. Първо, нови функционални модули трябва да бъдат открити в геномните бази данни и тези знания трябва да се използват за надграждане на специфични биочасти чрез молекулярно инженерство. Второ, модулите трябва да бъдат сглобени във функционални биосистеми в клетките на шасито. Трето, хетерогенността на отделните клетки в микробната популация трябва да бъде елиминирана. В перспективите развитието на биосензори за цели клетки се обсъжда и в аспектите на методите за култивиране и синтетичните клетки.

Това е визуализация на абонаментно съдържание, достъп през вашата институция.


2 ПРЕДИЗВИКАТЕЛСТВА ПРИ ХАРАКТЕРИСТИКАТА НА МИКРОБНОТО ФУНКЦИОНАЛНО РАЗНООБРАЗИЕ

2.1 Обща концепция за функционалното разнообразие

Функционалните подходи за оценка на биоразнообразието се основават на общата предпоставка, че за да се разбере връзката между биоразнообразието и функционирането на екосистемите, функциите, реализирани от организмите в природните системи, са от по-голям интерес, отколкото тяхната идентичност. Терминът „функционално разнообразие“ е широко използван, но повечето проучвания просто разчитат на предполагаемо интуитивно разбиране на значението на термина и следователно няма единна дефиниция, особено в микробната екология (Таблица S1, Petchey & Gaston, 2006). Carmona, de Bello, Mason и Lepš (2016) предоставиха проста и оперативна дефиниция на функционалното разнообразие като „вариация на чертите между организмите“, която се „оценява като вариация на черти във функционалното пространство, заето от ан екологична единица” Тук се появяват доста двусмислени понятия от решаващо значение за дефинирането на микробното функционално разнообразие, екологична единица и функционален признак.

Една екологична единица съответства на всеки мащаб, в който има смисъл да се оцени функционалното разнообразие, като отделни организми, популации, видове (или OTU), общности, мета-общности, географски региони и континенти (Carmona et al., 2016). За макроорганизмите предпочитаната екологична единица често е общността и нейното функционално разнообразие може да бъде оценено, като се има предвид обхватът, разпространението и вариацията на признаците, носени от видовете, които съдържа, или средните стойности на чертите за различните видове (т.е. обобщени в общността черти). Каквато и да е избраната екологична единица, сега е общоприето, че концептуализирането, дефинирането, измерването и в крайна сметка разбирането на функционалното разнообразие зависят от измерването на функционалните характеристики (Mlambo, 2014 Petchey & Gaston, 2006), а терминът „функционална екология“ има тенденция да да бъде заменен с по-точния термин „екология, базирана на черти“ (Shipley et al., 2016). Често използваната дефиниция за функционални черти описва тези, които „влияят върху годността на организма чрез ефекта му върху растежа, репродукцията или оцеляването“ (Violle et al., 2007). Тази дефиниция и нейните по-нови вариации (Carmona et al., 2016 Violle et al., 2017) посочват, че функционалните черти трябва да бъдат измерими на индивидуално ниво, което рядко е опция за микроорганизми. Докато количествените черти (например, площ на листата, морфологични характеристики) се измерват на индивидуално ниво и след това се осредняват, за да се оцени стойността на чертата за вида, качествените черти (например фенологични или поведенчески) по-често се оценяват на ниво вид. Този подход произвежда матрици с таксони-черти, които изобразяват функционалните атрибути на таксоните, които след това се комбинират с матрици на таксоните, представляващи състава на общностите, за да се оцени функционалното разнообразие на общностите с помощта на ad hoc индекси (Mouchet, Villéger, Mason и Mouillot , 2010 Villéger, Mason и Mouillot, 2008).

В обобщение, функционалните подходи използват черти, за да опишат ролята на екологичните единици във функционирането на природните системи. В следващите раздели ще видим защо дефинициите за функционално разнообразие и функционални черти, използвани в момента в макробиалната екология, не отговарят на особеностите на микробния свят и кои аспекти трябва да бъдат взети под внимание, за да подобрим способността си да характеризираме микробната функционалност. разнообразие.

2.2 Към базиран на черти подход за микробно функционално разнообразие

2.3 Разлики между микро- и макроорганизмите във функционален контекст и ограничения на настоящите теоретични рамки

Има някои концепции, които се отнасят до биоразнообразието и функционалните взаимоотношения както в макро-, така и в микробната екология. Например, положителният ефект на биоразнообразието върху функционирането на екосистемата обикновено се приписва на два неизключителни механизма, селекцията (или вземането на проби) и ефектите на допълване (Cardinale et al., 2006 Loreau, Mouquet, & Gonzalez, 2003 Loreau et al., 2001 ). Казано по-просто, ефектът на селекция отразява влиянието на един хиперконкурентен вид върху цялостната функция на общността, докато ефектът на допълване зависи от наличието на видове с допълващи се черти и е резултат от разделянето на ресурсите или улесняването между тях. И двете концепции са пряко свързани с факта, че характеристиките на организмите определят тяхното въздействие върху изследвания екологичен процес.

Но има значителни разлики между микро- и макроорганизмите, които пречат на директния трансфер на екологични теории и концепции. Те включват малкия размер на отделните микроби, които допринасят за тяхната по-голяма чувствителност към промените в околната среда, техния по-бърз метаболизъм и темпове на растеж, но също и колониалния растеж на микробите, който се противопоставя на единната конструкция на повечето макроорганизми (Plante, 2017). Освен тези общи съображения, микробната функционална екология е изправена пред няколко основни предизвикателства, които пречат на директното прилагане на концепции и методи, разработени за макроорганизми.

Видът или OTU единицата също е проблематичен, защото изисква библиотека, съответстваща на черти с гени или OTU и пренебрегва вътрешновидовата вариабилност. Повечето екологично важни микроби все още не са култивирани, а повечето функционални черти могат да бъдат валидирани само с помощта на култивирани таксони. Следователно е налична ограничена физиологична, физическа и метаболитна информация за оценка на функционалното разнообразие на отделните таксони (Schnoes, Brown, Dodevski, & Babbitt, 2009 Turaev & Rattei, 2016) и изводът за функцията от таксономията/филогенезата може да се прилага само за специализирани и добре запазени функции, като метаногенеза (Goberna & Verdú, 2016). Съществуването на HGT (Polz et al., 2006) и лошо дефинираната концепция за прокариотни видове (Gevers et al., 2005) правят подобна връзка още по-трудна. Въз основа на метаболитните или физиологичните черти, измерени върху култивируеми таксони, много от тези черти се различават от един таксон до друг и за повечето функции съществува малка или никаква таксономична резолюция (Louca et al., 2018 Martiny et al., 2015). Функционалният подход, особено когато се прилага към микроби, се занимава с проблема за асоциациите на таксони-черти, като оценява общността като многовариантно и непрекъснато разпределение на черти. По този начин човек може да характеризира общностите, използвайки честотата на различни стойности на черти и да забрави за таксономичното разнообразие.

Друго предизвикателство е представено от фундаменталните различия в естеството на измерените черти. Всъщност чертите на макроорганизмите често са конститутивни, тоест непрекъснато се изразяват и съществуват в екосистемата, докато организмът е жив (например формата на листа на растението или размера на устата на риба). Макар че това може да бъде и при микробите, например в бактериалните клетки, които притежават пили или фитопланктонни организми с твърди черупки, експресията на микробните черти е по-пряко свързана с околната среда. Всъщност връзката между генотипа и фенотипа е по-тясна при микробите, отколкото при макроорганизмите (Dutilh et al., 2013 Tamura & D'haeseleer, 2008). Следователно, много микробни черти са генетично регулирани (например, метаболитни пътища, образуване на биофилм и вирулентност) и тяхната индукция зависи от размера на популацията, клетъчната активност и условията на околната среда.

Въпреки гореспоменатите ограничения, микробите вероятно представляват най-добрата система за прилагане на функционални подходи. От една страна, определянето на видовете е противоречиво, ако не и невъзможно поради трансфер на гени и асексуално размножаване, разнообразието е удивително, а ограниченията за вземане на проби затрудняват измерването на черти и функции. От друга страна, функционалната излишък е широко разпространена, относителната простота на микробната физиология улеснява картографирането на гените към функциите, а новите методи за секвениране позволяват документирането на много гени едновременно. Функционалният подход може да изглежда като решение за намаляване на сложността на микробните системи и по-добро разбиране на тяхното функциониране. Струва си да се отбележи, че областта на микробната функционална екология е доста нова и не е обичайно да се прилагат мерки за функционално разнообразие за характеризиране на микробните общности.


Микробни пестициди

Микробни пестициди: биологични ресурси, производство и приложение предоставя кратко и достъпно въведение в историята на микробните пестициди, тяхното въздействие върху глобалната екология, човешкото общество и икономики, както и задълбочено и осезаемо описание на най-съвременните технологии, налични за производство, приложение, ограничения и дългосрочна жизнеспособност на тези биопродукти. Информацията е изброена по биологична група (т.е. вируси, бактерии, гъбички, протозои, микроспоридии и микробни метаболити) и е подкрепена от солидни научни данни. Книгата е изобилно илюстрирана, с оригинални снимки, изясняващи най-често срещаните техники и протоколи, използвани в технологията за микробиологичен биоконтрол.

И накрая, изображенията на всички биологични активни съставки, използвани понастоящем в комерсиално произведените формулировки, както и лабораторно разработените формулировки, са илюстрирани и изброени в подробни таблици за бърз достъп.

Микробни пестициди: биологични ресурси, производство и приложение предоставя кратко и достъпно въведение в историята на микробните пестициди, тяхното въздействие върху глобалната екология, човешкото общество и икономики, както и задълбочено и осезаемо описание на най-съвременните технологии, налични за производство, приложение, ограничения и дългосрочна жизнеспособност на тези биопродукти. Информацията е посочена по биологична група (т.е. вируси, бактерии, гъбички, протозои, микроспориди и микробни метаболити) и е подкрепена от солидни научни данни. Книгата е изобилно илюстрирана, с оригинални снимки, изясняващи най-често срещаните техники и протоколи, използвани в технологията за микробиологичен биоконтрол.

И накрая, изображенията на всички биологични активни съставки, използвани понастоящем в комерсиално произведените формулировки, както и лабораторно разработените формулировки, са илюстрирани и изброени в подробни таблици за бърз достъп.


Ролята на микробиома в еволюцията на гостоприемника

През последното десетилетие станахме свидетели на голяма промяна в парадигмата в науките за живота: признанието, че микробиомът, т.е. наборът от микроорганизми, свързани със здрави животни (включително хора) и растения, играе решаваща роля за устойчивото здраве и годност на негов домакин. Благодарение на бързия напредък в технологиите за секвениране и аналитичните методи, е постигнат значителен напредък както в идентифицирането на микробните таксони, така и в разбирането на връзката между състава на микробиома и фенотипа на гостоприемника. Тези открития водят до нови стратегии за подобряване на здравето на хората и животните, подобрен добив и хранително качество и контрол на различни вредители и болестотворни агенти.

Тази статия е част от тематичния брой „Ролята на микробиома в еволюцията на гостоприемника“.

1. Въведение

Все по-често изследователската общност започва да задава различни — и по-трудни — въпроси относно основите на взаимодействията гостоприемник-микробиом и техните еволюционни последици. Това доведе до фокуса на голяма празнина в нашето разбиране: ролята на микробиома в еволюцията на гостоприемника. В изследователската общност съществува истинско объркване, включително опасения, че традиционната еволюционна теория може да е недостатъчна, за да обясни еволюционните процеси, включващи микробиоми, и несигурност относно най-добрия избор на система и подход за изследване на модел и процес от еволюционна гледна точка. Мненията са различни и често поляризирани.

Нашата цел за този тематичен брой е двойна: да предоставим преглед на текущото състояние на областта за изследователя, учителя и студента и да предизвикаме нови идеи и изследвания, включително така необходимото интердисциплинарно сътрудничество за решаване на многото нерешени проблеми. Нашата обосновка е, че еволюционната перспектива насърчава разбирането на биологичните механизми на взаимодействията гостоприемник-микроб, предоставяйки обяснения за модели, открити чрез различни дисциплинарни подходи, като генетични, физиологични, поведенчески или екологични. Такава перспектива може да обясни, например, защо някои видове взаимодействия възникват и се повтарят, докато други са редки или очевидно липсват в световен мащаб, в специфични таксони гостоприемник или при определени екологични условия. Например, медиираната от микробиома защита срещу патогени е много широко разпространена както при животните, така и при растенията, докато археите, различни от метаногените, очевидно рядко се свързват с еукариоти, а полезните вътреклетъчни бактерии са до голяма степен неизвестни при гръбначните, но широко разпространени в много групи безгръбначни животни. От еднакво значение еволюционното разбиране може да помогне да се направи науката за микробиома по-предсказуема: щателни проучвания, които демонстрират как промяната или елиминирането на микробиома влияе върху чертите на гостоприемника, например, изискват еко-еволюционни рамки, които ще обяснят тези открития в по-широк контекст и ще помогнат в извода за механизми и процеси. Като се има предвид, например, как гостоприемниците са се адаптирали да се приспособят или да разчитат на микробиома и последствията за фенотипа и еволюционната траектория на гостоприемника може да обяснят иначе озадачаващите явления, от избелването на коралите до ефектите на антибиотиците. Тъй като нашата наука става по-предсказуема, нейното приложение за решаване на реални проблеми ще стане по-надеждно. Някои важни открития вече са направени, включително разрешаването на Clostridium difficile инфекции при хора от определени чревни бактерии, потискане на Aedes пренасян от комари вирус на денга от Волбахия бактерии и устойчивост на растенията към високи температури, придадени от гъбични ендофити. Те могат най-добре да бъдат разбрани в еко-еволюционен контекст: систематичното прилагане на еволюционните принципи към науката за микробиомите има потенциала да даде възможност за преобразуващ напредък в медицината, селското стопанство и общественото здраве.

Този том, съдържащ 15 рецензии и мнения, обединява прозренията и опита на 36 автори от шест страни. Концептуално статиите могат да бъдат причислени към две широки теми. Първата тема се отнася до това как микробиомът влияе върху чертите на гостоприемника и годността, разкривайки както широко разпространената роля на микробиома като селективна сила върху техните гостоприемници, така и като модалност на адаптиране на гостоприемника към предизвикателствата на околната среда. Втората тема изследва еволюционния процес в мащаби от микроеволюция в популациите гостоприемници до макроеволюционни филогении. Разрязвайки тези две теми, някои статии се фокусират върху конкретни системи, напр. хора, корали, риби, докато други черпят от литературата за много животински и растителни системи или изследват общи еволюционни принципи без позоваване на специфични таксони.

Изданието започва с две статии, които подчертават фундаменталните еволюционни процеси. Първо, Колодни и Шуленберг [1] третират микробиома като източник на адаптивна фенотипна пластичност. Те предполагат, че домакините, изправени пред ново предизвикателство за околната среда, могат да се адаптират към предизвикателството чрез промени в състава на своя микробиом. Такава адаптация е аналогична на добре познатия ефект на Болдуин, но освен това включва вериги за обратна връзка и еко-еволюционна динамика, които се развиват в редица времеви скали, изобразявайки богата картина на адаптивните процеси. Следващият преглед на Moeller & Sanders [2] развива тази тема, като се фокусира особено върху това как ефектите на микробиомите са оформили и вероятно продължават да оформят еволюцията на бозайниците.

С тази концептуална рамка томът изследва адаптивния отговор на гостоприемниците към микробиома от различни гледни точки. Три статии разглеждат физиологичните системи на гостоприемника, които взаимодействат директно с микробиома. Централен етап във всяко разглеждане на взаимодействията гостоприемник-микробиом е имунната система на гостоприемника, която едновременно контролира и се влияе от микробните партньори. Герардо, Хоанг и Стой [3] разглеждат начините, по които имунната система взаимодейства с микробните симбионти и как имунологичните процеси могат да ограничат еволюцията на участващите организми. Допълнителното становище на McLaren & Callahan [4] твърди, че гостоприемниците са адаптирани да насърчават микробните таксони, които придават устойчивост на патогени, генерирайки това, което авторите уместно наричат ​​„кооперативен имунитет“. Взаимодействието между метаболизма на гостоприемника и микробиома се разглежда от Fontaine & Kohl [5], които изследват стойността на оптималното мислене, по-специално симорфозата, която предполага, че метаболизмът на гостоприемника е структуриран чрез естествен подбор, за да отговаря на функционалното търсене на асоциацията. Основани на настоящото разбиране за хранителните взаимодействия между различни животни и техния микробиом, тези автори предвиждат специфични тестуеми модели в селекционния натиск за микробиомно-зависимо регулиране на метаболитната функция на гостоприемника. Тези съображения се насочват директно към статията на Grieneisen, Muehlbauer & Blekhman [6], която разглежда моделите на микробния контрол върху генната експресия при приматите и неговите последици за еволюцията на приматите и човека.

Има все повече доказателства за оркестрация на развитието на състава и функцията на микробиома, отразяващи вариациите в натиска на селекцията и еволюционните ограничения на различни етапи от живота на гостоприемника. Свързвайки се с възникващия интерес към интерфейса между микробиомите и теорията за историята на живота, две статии в този брой се фокусират върху микробиома, свързан с два ключови етапа от живота. Nyholm [7] прави преглед на честотата и последствията от взаимодействията яйце-микробиом при животните. Доскоро повечето микроорганизми, свързани с яйцата, бяха описани като биологично „тих“ етап на предаване, осигуряващ колонизирането на новоизлюпеното потомство с микроби на майката. Nyholm призовава за радикална преоценка на адаптивната еволюция на яйцата в светлината на нарастващите доказателства, че свързаните с яйцата микроорганизми могат да защитят яйцето срещу абиотичен стрес и естествени врагове (както хищници, така и патогени). В другия край на живота на животните, Popkes & Valenzano [8] обобщават констатациите за влиянието на микробиома върху оцеляването с възрастта на организмите, използвайки по-специално прозрения от последните проучвания на гръбначни животни и техните микробиоми, и обсъждат включените механизми и начините при което това може да е повлияло на еволюцията на гостоприемника и коеволюционната динамика на гостоприемника и микробиома. Оркестрацията на развитието на връзката гостоприемник-микробиом също включва локализация на микробиома, включително адаптации на гостоприемника, които ограничават микроорганизмите до специфични органи или места в тялото. Chomicki, Werner, West & Kiers [9] разглеждат различни начини на компартментализация на микробиома в растения, насекоми и гръбначни животни и обсъждат как това позволява на гостоприемника да контролира потока на ресурсите, да разграничава кооперацията от дефектиращите микробни партньори и да манипулира състава на микробиома . Претегляйки разходите и ползите от разделянето, те изследват различния натиск за избор, който може да е определил кои хостове са развили компартментализацията и кои не. Една форма на компартментализация включва симбиотични органи, т.е. органи, чиято единствена функция е да съхраняват и поддържат микробните партньори. Дъглас [10] приема подход на еволюционно развитие (evo-devo), за да проучи как биологията на развитието на симбиотичните органи може да даде представа за техния еволюционен произход и се застъпва за по-широко използване на генетични технологии, за да се тества дали запазената генетична схема може да лежи в основата на очевидно конвергентна еволюция на симбиотични органи в различни линии на гостоприемника.

Възможните ефекти на микробиома върху поведението привличаха много внимание и доскоро повече спекулации, отколкото данни. Тъй като доказателствата за поведенческите корелати за присъствието и състава на микробиома се натрупват, еволюционната перспектива става наложителна. За щастие, стабилна концептуална рамка е осигурена от добре установената дисциплина на поведенческата екология. Този брой включва две стимулиращи и провокативни статии, които илюстрират възможностите за интердисциплинарен синтез между изследване на микробиома и поведенческа екология. Gurevich, Lewin-Epstein & Hadany [11] излагат теоретичен модел на ефектите на микробиома върху бащината грижа, включително последствията от микробиомно-медиираната манипулация на поведението на гостоприемника върху стратегиите за чифтосване и родителство на мъжките гостоприемници. Натан, Фитак, Вербер и Вортман [12] предполагат, че информацията, която гостоприемниците получават от магнитотактични бактерии в техните микробиоми, може да бъде отговорът на дългогодишен пъзел: как животните, от протисти до птици, усещат магнитни полета? 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.

Ключови думи: 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 в силико 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 в силико microbiome design.


Заключения

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.



Коментари:

  1. Iniss

    Wise objects, says)

  2. Lawley

    Where there is only against the authority

  3. Turg

    Само Господ знае!

  4. Bimisi

    Yes, the answer almost same, as well as at me.



Напишете съобщение