Κοινή ερευνητική δραστηριότητα του Δημοκριτείου Πανεπιστημίου Θράκης, του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και της BIOSMART Milk Solutions.
Γράφουν οι κ.κ:
Γνωρίζουμε όλο και καλύτερα ποιοι μικροοργανισμοί ζουν στη μεγάλη κοιλία. Το επόμενο μεγάλο ερώτημα, όμως, είναι τι κάνουν, πώς αλληλεπιδρούν και, τελικά, πώς επηρεάζουν την αξιοποίηση του σιτηρεσίου.
Μια αγελάδα μπορεί να καταναλώνει ένα άριστα σχεδιασμένο σιτηρέσιο. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι γνωρίζουμε πλήρως τι συμβαίνει από τη στιγμή που το σιτηρέσιο φτάνει στη μεγάλη κοιλία μέχρι τη στιγμή που η ενέργειά του γίνεται διαθέσιμη στο ζώο.
Ανάμεσα στα δύο βρίσκεται ένα από τα πολυπλοκότερα βιολογικά οικοσυστήματα που γνωρίζουμε: το μικροβίωμα της μεγάλης κοιλίας.
Χιλιάδες μικροοργανισμοί συμμετέχουν στη μετατροπή των συστατικών της τροφής. Από τη δραστηριότητά τους παράγονται, μεταξύ άλλων, πτητικά λιπαρά οξέα, τα οποία αποτελούν βασική πηγή ενέργειας για το μηρυκαστικό.
Επομένως, για την παραγωγή δεν έχει σημασία μόνο τι βάζουμε στο σιτηρέσιο. Έχει σημασία και σε τι μετατρέπεται μέσα στη μεγάλη κοιλία. Ξέρουμε ποιοι βρίσκονται εκεί. Είναι όμως αρκετό;
Οι σύγχρονες τεχνολογίες αλληλούχησης έχουν αλλάξει ριζικά τη μελέτη του μικροβιώματος. Μπορούμε πλέον να χαρτογραφούμε τη μικροβιακή κοινότητα με λεπτομέρεια που πριν από λίγα χρόνια ήταν αδύνατη.
Όμως εδώ προκύπτει ένα παράδοξο: Όσο περισσότερα μαθαίνουμε για το ποιοι μικροοργανισμοί υπάρχουν, τόσο περισσότερο αντιλαμβανόμαστε ότι αυτό από μόνο του δεν αρκεί για να μας εξηγήσει τι κάνει συνολικά το οικοσύστημα.
Η μεγάλη κοιλία δεν είναι ένας κατάλογος βακτηρίων. Διαφορετικοί μικροοργανισμοί συνυπάρχουν, αλληλεπιδρούν, ανταγωνίζονται και ανταλλάσσουν μεταβολικά προϊόντα. Διαφορετικές μικροβιακές κοινότητες μπορούν επίσης να επιτελούν επικαλυπτόμενες λειτουργίες. Γι’ αυτό η μεγάλη πρόκληση είναι πλέον να συνδέσουμε:
Σύνθεση μικροβιώματος –> Λειτουργία –> Ζύμωση –> Απόκριση του ζώου
Με απλά λόγια, να περάσουμε από το:«Ποιοι βρίσκονται εκεί;»
στο: «Τι πραγματικά κάνουν;».
Όταν ένα αποτέλεσμα γεννά το επόμενο ερώτημα
Αυτό το ερώτημα βρίσκεται στο επίκεντρο κοινής ερευνητικής δραστηριότητας του Δημοκριτείου Πανεπιστημίου Θράκης, του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και της BIOSMART Milk Solutions.
Σε ελεγχόμενη μελέτη σε γαλακτοπαραγωγές αγελάδες, δεν εξετάστηκε μόνο η παραγωγική απόκριση μιας διατροφικής παρέμβασης. Μελετήθηκε παράλληλα τι συνέβαινε μέσα στη μεγάλη κοιλία.
Η ανάλυση κατέγραψε σημαντικές μεταβολές στο προφίλ της ζύμωσης και των πτητικών λιπαρών οξέων. Αυτό όμως, αντί να κλείσει την έρευνα, δημιούργησε ένα νέο ερώτημα: Αν αλλάζει το αποτέλεσμα της ζύμωσης, τι συμβαίνει στο ίδιο το μικροβιακό οικοσύστημα;
Δείγματα από την ίδια μελέτη υποβλήθηκαν σε ανεξάρτητη μεταγονιδιωματική ανάλυση με τη χρήση τεχνολογίας Next-Generation Sequencing (NGS), στην πλατφόρμα Illumina NovaSeq. Η ανάλυση περιέλαβε βακτηριακούς και αρχαιακούς πληθυσμούς μέσω 16S rRNA, καθώς και μυκητιακούς πληθυσμούς μέσω της αλληλούχησης της περιοχής ITS.
Τα αποτελέσματα κατέγραψαν στατιστικά σημαντικές μεταβολές στη μικροβιακή κοινότητα της μεγάλης κοιλίας. Η πλήρης επιστημονική εργασία και τα αναλυτικά αποτελέσματα της μελέτης βρίσκονται παράλληλα στο στάδιο προετοιμασίας για υποβολή προς δημοσίευση σε διεθνές επιστημονικό περιοδικό.
Είχαμε, επομένως, δύο ενδιαφέρουσες παρατηρήσεις: μεταβολές στη ζύμωση και μεταβολές στο μικροβίωμα. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι γνωρίζουμε ακόμη τον μηχανισμό που τις συνδέει.
Και εδώ η ιστορία γίνεται ακόμη πιο ενδιαφέρουσα: Τα βακτήρια δεν μεταβολίζουν απλώς. Επικοινωνούν. Ένα μικροβιακό οικοσύστημα δεν αποτελείται από οργανισμούς που λειτουργούν απομονωμένα.
Οι μικροοργανισμοί μπορούν επίσης να ανταλλάσσουν χημικά σήματα. Μέσω μηχανισμού –γνωστού ως quorum sensing– ορισμένοι μικροβιακοί πληθυσμοί μπορούν να συντονίζουν συλλογικές συμπεριφορές, ανάλογα με την παρουσία άλλων μικροοργανισμών και με τις συνθήκες του περιβάλλοντός τους.
Ένα από τα συστήματα που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον στη μεγάλη κοιλία είναι το LuxS/AI-2. Σχετικά γονίδια έχουν εντοπιστεί ευρέως σε μικροοργανισμούς της μεγάλης κοιλίας, και η διεθνής έρευνα διερευνά τον πιθανό ρόλο τέτοιων μηχανισμών στη συμπεριφορά και στην οργάνωση των μικροβιακών κοινοτήτων. Η πραγματική λειτουργική τους σημασία, όμως, μέσα στο εξαιρετικά σύνθετο περιβάλλον της μεγάλης κοιλίας δεν έχει ακόμη αποσαφηνιστεί.
Και αυτό ανοίγει ένα συναρπαστικό ερώτημα: Μήπως για να κατανοήσουμε πραγματικά το μικροβίωμα δεν αρκεί να γνωρίζουμε ποιοι μικροοργανισμοί υπάρχουν και τι μεταβολίζουν, αλλά πρέπει να κατανοήσουμε και πώς επικοινωνούν και αλληλεπιδρούν ως βιοκοινότητα; Και όταν το πείραμα δεν δίνει την απάντηση που περιμένεις;
Στην ίδια ερευνητική προσπάθεια πραγματοποιήθηκε μια πρώτη διερεύνηση της πιθανής συμμετοχής του άξονα LuxS/AI-2, εξετάζοντας την έκφραση του luxS σε επίπεδο mRNA με RT-qPCR. Το αποτέλεσμα; Δεν καταγράφηκε αυξημένη έκφραση στην ομάδα παρέμβασης. Αυτό είναι σημαντικό. Δεν μπορούμε επομένως να ισχυριστούμε ότι τα μέχρι σήμερα δεδομένα αποδεικνύουν ενεργοποίηση του συγκεκριμένου μηχανισμού.
Ωστόσο, η μέτρηση της έκφρασης του γονιδίου luxS σε επίπεδο mRNA δεν αποτελεί άμεση μέτρηση της παραγωγής ή της λειτουργικής δραστηριότητας του AI-2 και, συνεπώς, δεν αρκεί από μόνη της για την πλήρη αξιολόγηση του συγκεκριμένου συστήματος quorum sensing. Έτσι, αντί να θεωρήσουμε την υπόθεση επιβεβαιωμένη ή να την απορρίψουμε πρόωρα, οδηγούμαστε στο επόμενο βήμα.
Η νέα ερευνητική φάση σχεδιάζεται με μεγαλύτερη αναλυτική ευαισθησία και λειτουργική εξειδίκευση, ώστε να διερευνηθεί βαθύτερα η μικροβιακή επικοινωνία (microbial signalling) και η πιθανή σχέση της με τις μεταβολές που παρατηρήθηκαν στη μικροβιακή κοινότητα και στη ζύμωση.
Από τη συσχέτιση στο μηχανισμό
Εδώ βρίσκεται ίσως η πραγματική πρόκληση για την επόμενη γενιά έρευνας στη μεγάλη κοιλία. Δεν αρκεί να γνωρίζουμε ότι αλλάζει ένας μικροοργανισμός. Δεν αρκεί ακόμη να γνωρίζουμε ότι αλλάζουν τα προϊόντα της ζύμωσης. Πρέπει να μπορέσουμε να συνδέσουμε:
Ποιος βρίσκεται εκεί –> τι κάνει –> πώς αλληλεπιδρά –> τι παράγει –> τι σημαίνει αυτό για το ζώο.
Για να φτάσουμε εκεί, θα χρειαστεί συνδυασμός μικροβιολογίας, διατροφής, ζωικής παραγωγής, μοριακής βιολογίας, βιοπληροφορικής και multi-omics. Και κυρίως θα χρειαστεί να συνεχίσουμε να κάνουμε δύσκολες ερωτήσεις, ακόμη και όταν οι πρώτες απαντήσεις δεν είναι αυτές που περιμέναμε. Γιατί η επιστήμη δεν προχωρά μόνο όταν μια υπόθεση επιβεβαιώνεται. Προχωρά και όταν ένα αποτέλεσμα μας αναγκάζει να θέσουμε καλύτερο ερώτημα και να σχεδιάσουμε καλύτερο πείραμα.
Ίσως λοιπόν το επόμενο breakthrough στη βιολογία της μεγάλης κοιλίας να μη βρίσκεται στην ανακάλυψη ακόμη ενός μικροοργανισμού. Ίσως βρίσκεται στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ένα ολόκληρο μικροβιακό οικοσύστημα λειτουργεί και επικοινωνεί ως σύστημα.
