A global genomic and structural resource for the human skin microbiome

Het menselijk lichaam is geen solitaire organisme, maar een bruisend ecosysteem, een landschap dat toegetakeld is met microscopisch leven dat op en in ons leeft. Onder de vele plekken waar deze microben een thuis hebben gevonden, springt de huid eruit als een uitgestrekte, blootgestelde grens. Het is een droge, zure en nutriëntenarme omgeving die desondanks een complexe gemeenschap van bacteriën, schimmels, virussen en archaea ondersteunt. Decennialang hebben wetenschappers begrepen dat dit huidmicrobioom een vitale rol speelt bij het aanleren van de werking van ons immuunsysteem en bij het intact houden van onze fysieke barrières. Onze kijk op deze wereld was echter wazig. Omdat de huid minder microben bevat dan de darm, en omdat menselijk DNA de microbiële signalen in monsters vaak overstemt, hebben onderzoekers moeite gehad om een volledige bibliotheek op te bouwen van de organismen die daar leven. Zonder een uitgebreide catalogus van wie er aanwezig is en wat zij in staat zijn te doen, is het moeilijk te begrijpen hoe deze gemeenschappen de gezondheid handhaven of hoe zij veranderen wanneer ziekte toeslaat.

Een team van onderzoekers heeft nu een veel breder net uitgeworpen en een enorme nieuwe bron gecreëerd die de verborgen diversiteit van de menselijke huid verlicht. Door duizenden nieuw verzamelde monsters van mensen uit China te combineren met bestaande gegevens uit de rest van de wereld, hebben zij bijna een half miljoen genomen van huidmicroben gereconstrueerd. Deze inspanning, bekend als de Global Skin Metagenomic Data, onthult dat de huid de thuisbasis is van tienduizenden soorten die wetenschappers nog nooit eerder hebben gezien. De studie somt deze nieuwe organismen niet alleen op; het brengt ook hun genetische blauwdrukken in kaart om te raden welke taken zij uitvoeren. Door geavanceerde computermodellen te gebruiken om de driedimensionale vormen van eiwitten te voorspellen die nog nooit eerder zijn bestudeerd, hebben de onderzoekers een enorme reserve aan biologische functies blootgelegd die voorheen onzichtbaar waren. Dit werk transformeert het huidmicrobioom van een mysterieus, slecht begrepen laagje naar een gedetailleerde, hoog-resolutie kaart, wat een nieuw fundament biedt voor het begrijpen van hoe ons lichaam interageert met de microscopische wereld.

Om deze nieuwe kaart te bouwen, verzamelden de onderzoekers een overweldigende hoeveelheid genetisch materiaal. Ze sequencieerden DNA uit 12.409 huidmonsters verzameld van vrijwilligers in China, die een breed scala aan leeftijden, huidtypen en gezondheidstoestanden besloegen, en voegden daar 4.396 monsters uit publieke databases wereldwijd aan toe. Ze namen ook bijna 3.000 genomen van bacteriën en schimmels die in laboratoria waren gekweekt. Met behulp van krachtige computers voegden ze deze fragmenten van DNA samen tot complete genomen, waarbij ze 452.397 verschillende microbiële genomen reconstrueerden. Dit proces stelde hen in staat om 11.891 groepen bacteriën en archaea, 165 groepen schimmels en 87.770 groepen virussen te identificeren die soorten-niveau categorieën vertegenwoordigen. Misschien wel het meest significant is dat bijna 43.000 van deze soorten-niveau groepen geen overeenkomst hadden met enige bestaande database, wat betekent dat ze geheel nieuw zijn voor de wetenschap. Deze ontdekkingen breidden de bekende stamboom van huidmicroben met bijna 7-7 procent uit, waarmee werd onthuld dat de diversiteit van het leven op onze huid veel rijker is dan voorheen werd aangenomen.

De studie vond dat deze nieuw ontdekte microben geen zeldzame curiositeiten zijn die in de schaduw schuilen; ze zijn wijdverspreid en talrijk. Ze leven in de vette gebieden van het gezicht, de droge plekken op armen en benen, en de vochtige plooien van het lichaam. Ze zijn aanwezig in een gezonde huid en in huid die wordt aangetast door diverse aandoeningen, waaronder discoïde lupus erythematodes, vitiligo, alopecia areata en androgenetische alopecia. Sterker nog, in sommige ziektestadia maakten deze onbekende microben meer dan een kwart van de totale microbiële gemeenschap uit. De onderzoekers keken ook naar wat deze nieuwe organismen mogelijk doen. Door hun genen te analyseren, ontdekten ze dat deze ongekarakteriseerde microben unieke vermogens bezitten om voedingsstoffen te verwerken en vitaminen te produceren. Ze vonden ook dat deze nieuwe groepen genen dragen voor resistentie tegen antibiotica, wat suggereert dat de huid een verborgen reservoir is voor medicijnresistentie die over het hoofd is gezien omdat wetenschappers alleen naar bekende bacteriën zochten.

Naast bacteriën onthulden de onderzoekers een rijke wereld van virussen en schimmels die grotendeels genegeerd waren. Ze identificeerden bijna 192.000 virale genomen, waarvan de meeste virussen zijn die bacteriën infecteren, bekend als bacteriofagen. Deze virussen vormen een complex web van relaties met hun bacteriële gastheren, waarbij ze potentieel optreden als een natuurlijke regulator die de bacteriële populaties in toom houdt. De studie toonde aan dat veel van deze virussen specifiek zijn voor de huid en niet voorkomen in de darm of de oceaan, wat de unieke aard van de huidomgeving benadrukt. Op dezelfde manier bleek het schimmelcomponent van de huid, gedomineerd door een genus genaamd Malassezia, veel eerder onbekende soorten te bevatten. De onderzoekers ontdekten dat verschillende groepen schimmels gespecialiseerde vermogens hebben om complexe chemische verbindingen te creëren, wat hen kan helpen te overleven in de harde omstandigheden van de huid of om op specifieke wijze met de menselijke gastheer te interageren.

Een van de meest innovatieve aspecten van dit onderzoek was hoe het team het probleem van "functionele donkere materie" aanpakte. In de biologie vinden wetenschappers vaak genen die lijken op eiwitten, maar die niet overeenkomen met bekende eiwitten in hun databases, waardoor hun functie een mysterie blijft. Om dit op te lossen, voorspelden de onderzoekers de driedimensionale structuren van meer dan 1,7 miljard eiwitsequenties. Door kunstmatige intelligentie te gebruiken om de vorm van deze eiwitten te modelleren, konden ze afleiden wat ze zouden doen, zelfs zonder hun exacte genetische sequentie te kennen. Ze richtten zich op 79.434 groepen eiwitten die geen bekende overeenkomsten hadden. Voor 1.018 hiervan genereerden ze 3D-modellen met een hoge betrouwbaarheid. Deze modellen onthulden unieke vormen en holtes die suggereren dat de eiwitten als enzymen fungeren, wat waarschijnlijk helpt bij het afbreken van voedingsstoffen of het transporteren van moleculen. Onder de ontdekkingen waren nieuwe typen enzymen die potentieel gebruikt kunnen worden in de geneeskunde of industrie, waardoor een lijst van onbekende genetische codes werd getransformeerd in een bibliotheek van potentiële instrumenten.

De onderzoekers volgden ook de relaties tussen de virussen en de bacteriën die zij infecteren. Ze vonden dat virussen de neiging hebben om specifieke bacteriële groepen te targeten, met een sterke voorkeur voor bepaalde typen bacteriën die algemeen op de huid voorkomen. Dit suggereert dat virussen een cruciale rol spelen bij het vormgeven van het huidmicrobioom, wellicht door te voorkomen dat één enkele bacteriële soort de overhand krijgt. De studie toonde aan dat zelfs de nieuw ontdekte, onbekende bacteriën deel uitmaken van dit virale netwerk, wat aangeeft dat deze verborgen spelers geïntegreerd zijn in het bredere ecosysteem. Dit onderling verbonden beeld helpt te verklaren hoe het huidmicrobioom stabiel en veerkrachtig blijft, zelfs wanneer het wordt geconfronteerd met veranderingen in de omgeving of de gezondheid van de gastheer.

Deze uitgebreide bron vormt een significante stap voorwaarts in ons begrip van de menselijke huid. Door een gedetailleerde catalogus te bieden van de organismen die op ons leven en de genetische instrumenten die zij gebruiken, verwijdert de studie een belangrijke barrière die de vooruitgang in huidmicrobioomonderzoek heeft vertraagd. Het toont aan dat de huid een complex, multi-kingdom ecosysteem is waar bacteriën, schimmels, virussen en archaea op complexe wijze met elkaar interageren. De ontdekking van duizenden nieuwe soorten en het in kaart brengen van hun potentiële functies suggereren dat er nog veel te leren valt over hoe deze microben de menselijke gezondheid beïnvloeden. De gegevens en instrumenten die door dit team zijn gecreëerd, zijn nu beschikbaar voor andere wetenschappers, die ze kunnen gebruiken om nieuwe vragen te verkennen, betere diagnostiek te ontwikkelen en wellicht nieuwe manieren te vinden om huidziekten te behandelen door samen te werken met, in plaats van tegen, de natuurlijke bewoners van onze huid.