A global genomic and structural resource for the human skin microbiome

Der menschliche Körper ist kein solitäres Organismus, sondern ein geschäftiges Ökosystem, eine Landschaft, die von mikrobischem Leben wimmelt, das auf und in uns lebt. Unter den vielen Orten, die diese Mikroben zu ihrer Heimat gemacht haben, sticht die Haut als eine weite, exponierte Grenze hervor. Sie ist eine trockene, saure und nährstoffarme Umgebung, die dennoch eine komplexe Gemeinschaft aus Bakterien, Pilzen, Viren und Archaeen beherbergt. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler verstanden, dass dieses Hautmikrobiom eine entscheidende Rolle dabei spielt, unser Immunsystem zu lehren, wie es funktioniert, und unsere physischen Barrieren intakt zu halten. Unsere Sicht auf diese Welt war jedoch verschwommen. Da die Haut im Vergleich zum Darm nur wenige Mikroben beherbergt und da menschliche DNA in Proben die mikrobielle Signatur oft überlagert, hatten Forscher Schwierigkeiten, eine vollständige Bibliothek der dort lebenden Organismen aufzubauen. Ohne einen umfassenden Katalog darüber, wer dort ist und was sie zu leisten vermögen, ist es schwierig zu verstehen, wie diese Gemeinschaften die Gesundheit aufrechterhalten oder wie sie sich verändern, wenn Krankheiten zuschlagen.

Ein Forscherteam hat nun ein viel größeres Netz ausgeworfen und eine massive neue Ressource geschaffen, die die verborgene Vielfalt der menschlichen Haut beleuchtet. Durch die Kombination von tausenden neu gesammelten Proben von Menschen aus ganz China mit bestehenden Daten aus der ganzen Welt haben sie fast eine halbe Million Genome von Hautmikroben rekonstruiert. Diese Anstrengung, bekannt als die Global Skin Metagenomic Data, zeigt, dass die Haut die Heimat von zehntausenden Arten ist, die Wissenschaftler noch nie zuvor gesehen haben. Die Studie listet diese neuen Organismen nicht nur auf; sie kartiert auch ihre genetischen Blaupausen, um zu erraten, welche Aufgaben sie erfüllen. Durch den Einsatz fortschrittlicher Computermodelle zur Vorhersage der dreidimensionalen Formen von Proteinen, die noch nie untersucht wurden, haben die Forscher ein riesiges Reservoir biologischer Funktionen aufgedeckt, die zuvor unsichtbar waren. Diese Arbeit verwandelt das Hautmikrobiom von einer mysteriösen, schlecht verstandenen Schicht in eine detaillierte, hochauflösende Karte und bietet eine neue Grundlage für das Verständnis, wie unser Körper mit der mikrobiellen Welt interagiert.

Um diese neue Karte zu erstellen, sammelten die Forscher eine erstaunliche Menge an genetischem Material. Sie sequenzierten DNA aus 12.409 Hautproben, die von Freiwilligen in China gesammelt wurden und eine breite Palette an Altersgruppen, Hauttypen und Gesundheitszuständen abdeckten, und fügten weitere 4.396 Proben aus öffentlichen Datenbanken weltweit hinzu. Sie schlossen auch fast 3.000 Genome von Bakterien und Pilzen ein, die in Laboren gezücht worden waren. Unter Verwendung leistungsstarker Computer fügten sie diese Fragmente der DNA zu vollständigen Genomen zusammen und rekonstruierten 452.397 distinkte mikrobielle Genome. Dieser Prozess ermöglichte es ihnen, 11.891 Gruppen von Bakterien und Archaeen, 165 Gruppen von Pilzen und 87.770 Gruppen von Viren zu identifizieren, die auf Spezies-Ebene kategorisiert sind. Vielleicht am bedeutendsten ist, dass fast 43.000 dieser Gruppen auf Spezies-Ebene keine Übereinstimmung in einer existierenden Datenbank fanden, was bedeutet, dass sie völlig neu in der Wissenschaft sind. Diese Entdeckungen erweiterten den bekannten Stammbaum der Hautmikroben um fast 7 7 Prozent und zeigten, dass die Vielfalt des Lebens auf unserer Haut weit reicher ist, als bisher angenommen.

Die Studie fand heraus, dass diese neu entdeckten Mikroben keine seltenen Kuriositäten sind, die im Schatten lauern; sie sind weit verbreitet und zahlreich. Sie leben in den öligen Bereichen des Gesichts, den trockenen Stellen an Armen und Beinen und in den feuchten Falten des Körpers. Sie sind in gesunder Haut und in Haut vorhanden, die von verschiedenen Erkrankungen betroffen ist, einschließlich diskoidem Lupus erythematodes, Vitiligo, Alopecia areata und androgener Alopezie. Tatsächlich machten diese unbekannten Mikroben in einigen Krankheitszuständen mehr als ein Viertel der gesamten mikrobiellen Gemeinschaft aus. Die Forscher untersuchten auch, was diese neuen Organismen tun könnten. Durch die Analyse ihrer Gene fanden sie heraus, dass diese uncharakterisierten Mikroben über einzigartige Fähigkeiten verfügen, Nährstoffe zu verarbeiten und Vitamine zu produzieren. Sie fanden auch heraus, dass diese neuen Gruppen Gene für die Resistenz gegen Antibiotika tragen, was darauf hindeutet, dass die Haut ein verborgenes Reservoir für Arzneimittelresistenz ist, das übersehen wurde, weil Wissenschaftler nur nach bekannten Bakterien suchten.

Über Bakterien hinaus entdeckten die Forscher eine reiche Welt von Viren und Pilzen, die weitgehend ignoriert worden war. Sie identifizierten nahezu 192.000 Virusgenome, bei den meisten handelt es sich um Viren, die Bakterien infizieren, bekannt als Bakteriophagen. Diese Viren bilden ein komplexes Geflecht von Beziehungen mit ihren bakteriellen Wirten und fungieren potenziell als natürlicher Regulator, der die Bakterienpopulationen in Schach hält. Die Studie zeigte, dass viele dieser Viren spezifisch für die Haut sind und nicht im Darm oder im Ozean vorkommen, was die einzigartige Natur der Hautumgebung unterstreicht. Ähnlich verhält es sich mit der Pilzkomponente der Haut, die von einer Gattung namens Malassezia dominiert wird und als viele zuvor unbekannte Arten enthielt. Die Forscher entdeckten, dass verschiedene Gruppen von Pilzen spezialisierte Fähigkeiten besitzen, komplexe chemische Verbindungen zu erzeugen, was ihnen helfen könnte, in den harschen Bedingungen der Haut zu überleben oder mit dem menschlichen Wirt auf spezifische Weise zu interagieren.

Einer der innovativsten Aspekte dieser Forschung war, wie das Team das Problem der „funktionalen dunklen Materie“ angegangen ist. In der Biologie finden Wissenschaftler oft Gene, die wie Proteine aussehen, aber keinerlei Übereinstimmung mit bekannten Proteinen in ihren Datenbanken aufweisen, wodurch ihre Funktion ein Rätsel bleibt. Um dies zu lösen, sagten die Forscher die dreidimensionalen Strukturen von über 1,7 Milliarden Proteinsequenzen voraus. Durch den Einsatz künstlicher Intelligenz zur Modellierung der Form dieser Proteine konnten sie ableiten, was sie tun könnten, selbst ohne ihre exakte genetische Sequenz zu kennen. Sie konzentrierten sich auf 79.434 Gruppen von Proteinen, die keine bekannten Übereinstimmungen hatten. Für 1.018 dieser Proteine erstellten sie hochkonfidente 3D-Modelle. Diese Modelle offenbarten einzigartige Formen und Taschen, die darauf hindeuten, dass die Proteine als Enzyme wirken, was wahrscheinlich hilft, Nährstoffe abzubauen oder Moleküle zu transportieren. Zu den Entdeckungen gehörten neue Typen von Enzymen, die potenziell in der Medizin oder Industrie eingesetzt werden könnten, wodurch eine Liste unbekannter genetischer Codes in eine Bibliothek potenzieller Werkzeuge verwandelt wurde.

Die Forscher verfolgten auch die Beziehungen zwischen den Viren und den von ihnen infizierten Bakterien. Sie fanden heraus, dass Viren dazu neigen, spezifische Bakteriengruppen anzugreifen, mit einer starken Präferenz für bestimmte Arten von Bakterien, die häufig auf der Haut vorkommen. Dies deutet darauf hin, dass Viren eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung des Hautmikrobioms spielen, indem sie möglicherweise verhindern, dass eine einzelne Bakterienart die Oberhand gewinnt. Die Studie zeigte, dass selbst die neu entdeckten, unbekannten Bakterien Teil dieses viralen Netzwerks sind, was darauf hindeutet, dass diese verborgenen Akteure in das breitere Ökosystem integriert sind. Diese vernetzte Sichtweise hilft zu erklären, warum das Hautmikrobiom stabil und belastbar bleibt, selbst wenn es Veränderungen in der Umwelt oder der Gesundheit des Wirts ausgesetzt ist.

Diese umfassende Ressource stellt einen bedeutenden Fortschritt in unserem Verständnis der menschlichen Haut dar. Indem sie einen detaillierten Katalog der Organismen bereitstellt, die auf uns leben, sowie die genetischen Werkzeuge, die sie nutzen, beseitigt die Studie eine große Barriere, die den Fortschritt in der Hautmikrobiomforschung verlangsamt hat. Sie zeigt, dass die Haut ein komplexes Ökosystem über mehrere Reiche hinweg ist, in dem Bakterien, Pilze, Viren und Archaeen auf komplexe Weise interagieren. Die Entdeckung tausender neuer Arten und die Kartierung ihrer potenziellen Funktionen legen nahe, dass es noch viel zu lernen darüber gibt, wie diese Mikroben die menschliche Gesundheit beeinflussen. Die Daten und Werkzeuge, die dieses Team erstellt hat, stehen nun anderen Wissenschaftlern zur Verfügung, die sie nutzen können, um neue Fragen zu erforschen, bessere Diagnostika zu entwickeln und vielleicht neue Wege zu finden, um Hautkrankheiten zu behandeln, indem man mit den natürlichen Bewohnern unserer Haut arbeitet, statt gegen sie.