Mikrobiom (původně μικρός (mikrós neboli "malý") a βίος (biós neboli "život" ze starověké řečtiny) je organizované společenství mikroorganismů kolonizující jakýkoliv prostor. Přesněji ji definovali v roce 1988 Whipps et al. jako „mikrobiální společenství zabírající definované stanoviště, které má odlišné fyzikálně-chemické vlastnosti." Termín tedy odkazuje nejen na mikroorganismy přítomné v prostředí, ale také zahrnuje jejich prostředí. V roce 2020 zveřejnil mezinárodní panel odborníků výsledek svých diskusí o definici mikrobiomu. Navrhli definici mikrobiomu založenou na novém uvedení „kompaktního, jasného a komplexního popisu termínu“ původně uvedeného Whipps et al., avšak doplněné o dva hlouběji vysvětlující odstavce. První vysvětlující odstavec se věnuje popisu dynamického charakter mikrobiomu a druhý vysvětlující odstavec jasně odděluje pojem mikrobiota od pojmu mikrobiom.
Mikrobiota je společenství mikroorganizmů skládající se ze všech živých členů tvořících mikrobiom. Většina výzkumníků mikrobiomu souhlasí s tím, že bakterie, archea, houby, řasy a protozoa by měly být považovány za členy mikrobiomu. Kontroverznější je integrace fágů, virů, plazmidů a dalších genetických prvků. Dále Whipps s kolektivem v definici prostředí popsali, ve kterém je mikrobiota přítomna. Zde hraje zásadní roli přítomnost sekundárních metabolitů při zprostředkování složitých mezidruhových interakcí, čímž si mikroorganismy zajišťují přežití v konkurenčním prostředí. Tzv. Quorum sensing neboli komunikace mezi mikroorganismy je indukovaná malými molekulami, které mikroorganismy produkují. Toto umožňuje bakteriím řídit kooperativní aktivity a přizpůsobovat jejich fenotypy biotickému prostředí, což vede např. k mezibuněčným adhezím nebo tvorbě biofilmu.
Všechna zvířata a rostliny vytváří vzájemné asociace s různými mikroorganismy, včetně protozoí, bakterií, archeí, hub a virů. V oceánu byly tyto vztahy historicky v systémech jednoho hostitele a jednoho symbionta. Nové výzkumy studující diverzitu mikroorganismů asociovaných s různými hostiteli mořských živočichů však posouvají pole zájmu do studií, které se zabývají interakcemi mezi hostitelem a vícečlenným mikrobiomem. Potenciál mikrobiomu ovlivňovat zdraví, fyziologii, chování a ekologii mořských živočichů by mohl především změnit současné chápání toho, jak se mořští živočichové přizpůsobují změnám. To se týká zejména rostoucích změn souvisejících s klimatem a lidskou činností, které dnes výrazně ovlivňují život v oceánu. Mikrobiom rostlin hraje klíčovou roli pro růst rostlin a následnou produkci potravin z nich. V posledních letech mu proto byla věnována zvýšená pozornost. Rostliny žijí v úzkém spojení s různými mikrobiálními společenstvi, označovanými jako rostlinný mikrobiom žijícími jak uvnitř (endosféra), tak vně (episféra) rostlinných tkání. Rostlinný mikrobiom hraje stěžejní roli v ekologii a fyziologii rostlin. Předpokládá se, že základní rostlinný mikrobiom obsahuje mikrobiální druhy nezbytné pro zdraví rostlin a pro schopnost růstu rostliny. Podobně jako u rostlin se savčí střevní mikrobiom ukázal jako klíčový regulátor fyziologie hostitele. Následná koevoluce mezi hostitelem a jeho střevní mikrobiotou hraje klíčovou roli u adaptace savců na jejich rozmanitý životní styl.
Zájem o výzkum mikrobiomu se začal objevovat v mikrobiologii již v sedmnáctém století. Vývoj nových technik a výrazný posun v laboratorním vybavení podpořil mikrobiologický výzkum, který zásadním způsobem změnil chápání problematiky zdraví a nemocí. Vývoj prvních mikroskopů umožnil objev nového, doposud neznámého a neviditelného světa a vedl k identifikaci jednotlivých mikroorganismů. Infekční nemoci se staly hlavním pilířem zájmu a výzkumu, ačkoliv dnes víme, že pouze malá část mikroorganismů je spojena s vyvoláním onemocnění, a tedy patogenitou. Převážná většina mikrobů je nezbytná pro zdravé fungování těla či jakékoliv jiného ekosystému a je známá prospěšnými interakcemi s jinými mikroorganismy. Koncept existence mikroorganismu jako jednotlivé buňky se brzy začal měnit, a to tehdy, když bylo stále zjevnější, že mikroorganismy se vyskytují v komplexních sdruženích (konsorciích), ve kterých jsou kritické interakce druhů a vzájemné mezidruhové komunikace. Objev DNA, vývoj sekvenačních technologií, PCR a klonovacích technik umožnily podrobnější zkoumání mikrobiálních komunit pomocí přístupů nezávislých na jejich kultivaci. K dalším změnám došlo na začátku tohoto století a stále pokračují, protože nové technologie sekvenování a nashromážděná sekvenční data zdůraznily jednak všudypřítomnost mikrobiálních komunit ve spojení s vyššími organismy, ale také kritickou roli mikrobů ve zdraví lidí, zvířat a rostlin. Tato zjištění způsobila revoluci v mikrobiální ekologii. Analýza genomů a metagenomů vysoce výkonným způsobem nyní poskytuje vysoce efektivní metody pro výzkum fungování jednotlivých mikroorganismů i celých mikrobiálních společenstev v jednotlivých přírodních stanovištích či hostujících organismech.
Základní informace
Historie Zájem o výzkum mikrobiomu se v mikrobiologii začal objevovat již v sedmnáctém století. Vývoj nových technik a laboratorních zařízení zintenzivnili mikrobiologický výzkum a způsobili změny v porozumění kontextu stavu zdraví a nemocí. Vzhledem k tomu, že infekční choroby postihovaly lidskou populaci již od dávné minulosti, byla lékařská mikrobiologie prvním cílem výzkumu a veřejného zájmu. Vývoj prvních mikroskopů umožnil objev nového, neznámého světa a vedl k identifikaci mikroorganismů.Přístup do dříve neviditelného světa otevřel oči a mysl badatelům sedmnáctého století. Antonie van Leeuwenhoek zkoumal rozmanité bakterie různých tvarů, houby a prvoky, které nazval animalcules, a to především ze vzorků vody, bahna a zubního plaku. Zároveň objevil biofilmy jako první známku interakcí mikroorganismů v rámci komplexních komunit. Významným mezníkem v mikrobiologii bylo převratné zjištění Roberta Kocha, které vysvětlovalo původ nemocí lidí a zvířat jako důsledek mikrobiální infekce, a také vysvětlovalo koncept patogenity. Tato zjištění posunula zaměření vědců a veřejnosti na roli mikroorganismů jako choroboplodných činitelů, které je třeba eliminovat.
Komplexní výzkum vedený v minulém století však ukázal, že pouze malá část mikroorganismů je spojena s onemocněním nebo patogenitou. Převážná většina mikrobů je nezbytná pro fungování ekosystému a je známá prospěšnými interakcemi s jinými mikroby, stejně tak jako s makroorganismy. Ve skutečnosti je udržování zdravého mikrobiomu pro lidské zdraví zásadní a může být potenciálním cílem pro nová terapeutika.Merchak A, Gaultier A. Microbial metabolites and immune regulation: New targets for major depressive disorder. Brain Behav Immun Health. 2020 Nov 2;9:100169. doi: 10.1016/j.bbih.2020.100169. PMID 34589904; PMCID: PMC8474524. Na konci devatenáctého století byla zahájena éra mikrobiální ekologie průkopnickým dílem Martinuse W. Beijerincka a Sergeje Winogradského. Nově založená věda o mikrobiologii životního prostředí vedla k další změně paradigmatu: mikroorganismy jsou všude v přirozeném prostředí, často spojené s hostiteli, přičemž na hostitele mají příznivé účinky. Toto tvrzení zde bylo uvedeno vůbec poprvé.Hiltner L. (1902) "Die Keimungsverhältnisse der Leguminosensamen und ihre Beeinflussung durch Organismenwirkung". In: Parey P and Springer J (Eds.) Arb Biol Abt Land u Forstw K Gsndhtsamt, 3, Berlin. Pages 1–545.Metchnikoff E. The prolongation of life: optimistic studies. GP Putnam's Sons; 1908.
Následně se koncept, že se mikroorganismy v prostředí chovají jako samostatné, jednotlivé buňky, začal měnit. Důvodem byl stále zjevnější fakt, že se mikroorganismy vyskytují v komplexních sdruženích, ve kterých jsou interakce jednotlivých druhů a jejich komunikace rozhodující pro dynamiku celé populace a také pro funkční aktivitu celého uskupení.Bassler, B.L. (2002) "Small talk: cell-to-cell communication in bacteria". Cell, 109(4): 421–424. . Objev DNA, vývoj sekvenačních technologií, PCR a klonovacích technik umožnily zkoumání mikrobiálních komunit pomocí přístupů nezávislých na kultivaci, založených na DNA a RNA.Brul, S., Kallemeijn, W. and Smits, G. (2008) "Functional genomics for food microbiology: molecular mechanisms of weak organic-acid preservative adaptation in yeast". CAB Rev, 3: 1–14. .
Dalším milníkem bylo zavedení fylogenetických markerů. Tím hlavním se stal gen pro 16S rRNA podjednotku, pomocí kterého bylo možné taxonomicky určit jednotlivé druhy. O tento posun v analýze mikrobiálních komunit se zasloužili Carl Woese a George E. Fox v roce 1977. V dnešní době mohou biologové sledovat přítomnost bakterií, archeí, hub, řas a protozoí v jejich přirozeném prostředí, např. zacílením na jejich geny 16S a 18S rRNA, vnitřní transkribovaný spacer (ITS) u hub a mikromycet, anebo alternativně na specifické funkční oblasti genů kódujících specifické enzymy.Uksa, M., Schloter, M., Endesfelder, D., Kublik, S., Engel, M., Kautz, T., Köpke, U. and Fischer, D. (2015) "Prokaryotes in subsoil—evidence for a strong spatial separation of different phyla by analysing co-occurrence networks". Frontiers in microbiology, 6: 1269. .Maritz, J.M., Rogers, K.H., Rock, T.M., Liu, N., Joseph, S., Land, K.M. and Carlton, J.M. (2017) "An 18S rRNA workflow for characterizing protists in sewage, with a focus on zoonotic trichomonads". Microbial ecology, 74(4): 923–936. .Purahong, W., Wubet, T., Lentendu, G., Schloter, M., Pecyna, M.J., Kapturska, D., Hofrichter, M., Krüger, D. and Buscot, F. (2016) "Life in leaf litter: novel insights into community dynamics of bacteria and fungi during litter decomposition". Molecular Ecology, 25(16): 4059–4074. .
Další velká změna ve vnímání problematiky studia mikrobiomu byla zahájena na začátku tohoto století a pokračuje až do současnosti, protože nové sekvenační technologie a stále vznikající sekvenční data zdůraznily všudypřítomnost mikrobiálních komunit ve spojení s vyššími organismy a kritickou roli mikrobů pro zdraví lidí, zvířat i rostlin.Lozupone, C.A., Stombaugh, J.I., Gordon, J.I., Jansson, J.K. and Knight, R. (2012) "Diversity, stability and resilience of the human gut microbiota". Nature, 489(7415): 220–230. . Nové sekvenační možnosti způsobily revoluci v mikrobiální ekologii, protože analýza genomů a metagenomů vysoce výkonným způsobem poskytuje účinnou a efektivní metodu pro objevování funkčního potenciálu jednotlivých mikroorganismů i celých komunit v jejich přirozeném prostředí.Venter, J.C., Remington, K., Heidelberg, J.F., Halpern, A.L., Rusch, D., Eisen, J.A., Wu, D., Paulsen, I., Nelson, K.E., Nelson, W. and Fouts, D.E. (2004) "Environmental genome shotgun sequencing of the Sargasso Sea". Science, 304(5667): 66–74. .Liu, L., Li, Y., Li, S., Hu, N., He, Y., Pong, R., Lin, D., Lu, L. and Law, M. (2012) "Comparison of next-generation sequencing systems". BioMed Research International, 2012: 251364. . Multi-omické technologie včetně metatranskriptomiky, metaproteomiky a metabolomiky nyní poskytují podrobné informace o mikrobiálních aktivitách v prostředí, které kolonizují. Na základě bohaté databáze dat získala kultivace mikrobů, která byla v posledních třiceti letech často podceňována, nový význam a vysoce výkonná kulturomika je nyní důležitým nástrojem pro studium mikrobiomů. Vysoký potenciál a síla kombinace více „omických“ technik pro analýzu interakcí hostitel-mikrob je zdůrazněna v několika publikacích.Stegen, J.C., Bottos, E.M. and Jansson, J.K. (2018) "A unified conceptual framework for prediction and control of microbiomes". Current Opinion in Microbiology, 44: 20–27. .Knight, R., Vrbanac, A., Taylor, B.C., Aksenov, A., Callewaert, C., Debelius, J., Gonzalez, A., Kosciolek, T., McCall, L.I., McDonald, D. and Melnik, A.V. (2018) "Best practices for analysing microbiomes". Nature Reviews Microbiology, 16(7): 410–422. .