مشروع الميكروبيوم البشري

كان مشروع الميكروبيوم البشري ( HMP ) مبادرة بحثية تابعة للمعاهد الوطنية للصحة في الولايات المتحدة الأمريكية (NIH) تهدف إلى تحسين فهم الميكروبات التي تلعب دورًا في صحة الإنسان وأمراضه. انطلق المشروع عام 2007، ^{[ 1 ]} وركزت مرحلته الأولى (HMP1) على تحديد الميكروبات البشرية وتوصيفها. أما المرحلة الثانية، المعروفة باسم مشروع الميكروبيوم البشري المتكامل (iHMP)، فقد انطلقت عام 2014 بهدف توفير الموارد اللازمة لتوصيف الميكروبيوم وتوضيح أدوار الميكروبات في حالات الصحة والمرض. وقد تلقى البرنامج تمويلًا قدره 170 مليون دولار أمريكي من الصندوق المشترك للمعاهد الوطنية للصحة خلال الفترة من 2007 إلى 2016. ^{[ 2 ]}

تضمنت المكونات المهمة لمشروع الميكروبات البشرية (HMP) أساليب توصيف المجتمعات الميكروبية غير المعتمدة على الاستزراع ، مثل علم الجينوم البيئي (الذي يوفر منظورًا جينيًا واسعًا لمجتمع ميكروبي واحد)، بالإضافة إلى التسلسل الجينومي الكامل المكثف (الذي يوفر منظورًا جينيًا معمقًا لجوانب معينة من مجتمع ميكروبي محدد، أي لأنواع بكتيرية فردية). وقد استُخدمت هذه التسلسلات الأخيرة كمرجع جينومي - حيث يُخطط حاليًا لتسلسل 3000 تسلسل من عزلات بكتيرية فردية - لأغراض المقارنة خلال التحليل الجينومي البيئي اللاحق. كما موّل المشروع التسلسل العميق لتسلسلات جين 16S rRNA البكتيري المُضخّمة بواسطة تفاعل البوليميراز المتسلسل من متطوعين بشريين. ^{[ 3 ]}

قبل إطلاق مشروع الميكروبيوم البشري (HMP)، شاع في وسائل الإعلام والمراجع العلمية أن عدد الخلايا الميكروبية في جسم الإنسان يفوق عدد الخلايا البشرية بعشرة أضعاف، وعدد الجينات الميكروبية بمئة ضعف. استند هذا الرقم إلى تقديراتٍ تُشير إلى أن الميكروبيوم البشري يحتوي على حوالي 100 تريليون خلية بكتيرية، وأن الإنسان البالغ يمتلك عادةً حوالي 10 تريليونات خلية بشرية. ^{[ 4 ]} في عام 2014، نشرت الأكاديمية الأمريكية لعلم الأحياء الدقيقة أسئلة وأجوبة أكدت فيها أن عدد الخلايا الميكروبية وعدد الخلايا البشرية كلاهما تقديرات، وأشارت إلى أن الأبحاث الحديثة توصلت إلى تقدير جديد لعدد الخلايا البشرية يبلغ حوالي 37 تريليون خلية، مما يعني أن نسبة الخلايا الميكروبية إلى الخلايا البشرية هي على الأرجح 3:1. ^{[ 4 ] [ 5 ]} في عام 2016، نشرت مجموعة أخرى تقديرًا جديدًا للنسبة يبلغ حوالي 1:1 (1.3:1، مع هامش خطأ 25% وتفاوت 53% بين الذكور ذوي الوزن القياسي 70 كجم). ^{[ 6 ] [ 7 ]}

على الرغم من العدد الهائل من الميكروبات الموجودة داخل جسم الإنسان وعلى سطحه، إلا أن المعلومات المتوفرة حول أدوارها في صحة الإنسان وأمراضه كانت شحيحة. فالعديد من الكائنات الحية التي تُشكل الميكروبيوم لم تُفلح في استزراعها أو تحديدها أو توصيفها. ومع ذلك، يمكن تصنيف الكائنات الحية التي يُعتقد وجودها في الميكروبيوم البشري عمومًا إلى بكتيريا ، وأفراد من نطاق العتائق ، وخمائر ، وحقيقيات النوى وحيدة الخلية ، بالإضافة إلى العديد من الطفيليات الديدانية والفيروسات ، بما في ذلك الفيروسات التي تُصيب الكائنات الحية في الميكروبيوم الخلوي (مثل العاثيات ). وقد سعى مشروع الميكروبيوم البشري (HMP) إلى اكتشاف الميكروبيوم البشري وتوصيفه، مع التركيز على مواقع الفم والجلد والمهبل والجهاز الهضمي والجهاز التنفسي.

سيتناول مشروع الميكروبات البشرية (HMP) بعضًا من أكثر الأسئلة العلمية إلهامًا وإثارةً للجدل وأهميةً في عصرنا الحالي. والأهم من ذلك، أنه يمتلك القدرة على كسر الحواجز المصطنعة بين علم الأحياء الدقيقة الطبية وعلم الأحياء الدقيقة البيئية. ويُؤمل أن يُسهم مشروع الميكروبات البشرية ليس فقط في تحديد طرق جديدة لتقييم الصحة والاستعداد للأمراض، بل أيضًا في تحديد المعايير اللازمة لتصميم وتنفيذ ومراقبة استراتيجيات التلاعب المتعمد بالميكروبات البشرية، بهدف تحسين أدائها بما يتناسب مع وظائف الجسم الفردية. ^{[ 8 ]}

وُصِفَ مشروع الميكروبيوم البشري (HMP) بأنه "امتداد منطقي، مفاهيمي وتجريبي، لمشروع الجينوم البشري ". ^{[ 8 ]} وفي عام 2007، أُدرِجَ مشروع الميكروبيوم البشري ضمن خارطة طريق المعاهد الوطنية للصحة للبحوث الطبية ^{[ 9 ]} كأحد المسارات الجديدة للاكتشاف . كما يجري توصيف منظم للميكروبيوم البشري على الصعيد الدولي تحت رعاية الاتحاد الدولي للميكروبيوم البشري. ^{[ 10 ]} وتقود المعاهد الكندية لأبحاث الصحة ، من خلال معهد العدوى والمناعة التابع لها، مبادرة الميكروبيوم الكندية لتطوير جهد بحثي منسق ومركز لتحليل وتوصيف الميكروبات التي تستوطن جسم الإنسان وتغيراتها المحتملة خلال حالات الأمراض المزمنة. ^{[ 11 ]}

شهد مشروع الميكروبيوم البشري مشاركة العديد من المؤسسات البحثية، بما في ذلك جامعة ستانفورد ، ومعهد برود ، وجامعة فرجينيا كومنولث ، وجامعة واشنطن ، وجامعة نورث إيسترن ، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وكلية بايلور للطب ، وغيرها الكثير . وشملت المساهمات تقييم البيانات، وبناء مجموعات بيانات التسلسل المرجعي، والدراسات الأخلاقية والقانونية، وتطوير التكنولوجيا، وغير ذلك.

شمل مشروع HMP1 جهودًا بحثية من العديد من المؤسسات. ^{[ 12 ]} حدد مشروع HMP1 الأهداف التالية: ^{[ 13 ]}

• تطوير مجموعة مرجعية لتسلسلات الجينوم الميكروبي وإجراء توصيف أولي للميكروبيوم البشري
• استكشف العلاقة بين المرض والتغيرات في الميكروبيوم البشري
• تطوير تقنيات وأدوات جديدة للتحليل الحسابي
• إنشاء مستودع للموارد
• دراسة الآثار الأخلاقية والقانونية والاجتماعية لأبحاث الميكروبيوم البشري

في عام ٢٠١٤، أطلقت معاهد الصحة الوطنية الأمريكية المرحلة الثانية من المشروع، المعروف باسم مشروع الميكروبيوم البشري المتكامل (iHMP). كان الهدف من هذا المشروع هو توفير موارد لإنشاء توصيف شامل للميكروبيوم البشري، مع التركيز على فهم وجود الميكروبات في حالات الصحة والمرض. ^{[ ١٤ ]} وكانت مهمة المشروع، كما ذكرت معاهد الصحة الوطنية الأمريكية، على النحو التالي:

سيقوم مشروع iHMP بإنشاء مجموعات بيانات طولية متكاملة للخصائص البيولوجية من كل من الميكروبيوم والمضيف من ثلاث دراسات جماعية مختلفة للحالات المرتبطة بالميكروبيوم باستخدام تقنيات "الأوميكس" المتعددة. ^{[ 14 ]}

شمل المشروع ثلاثة مشاريع فرعية نُفذت في عدة مؤسسات. وتضمنت أساليب الدراسة تحليل جين 16S rRNA ، وتسلسل الميتاجينوم الكامل بتقنية التسلسل العشوائي ، وتسلسل الجينوم الكامل ، وعلم النسخ الميتاجينومي ، وعلم الأيض / علم الدهون ، وعلم البروتينات المناعية . نُشرت النتائج الرئيسية لمشروع iHMP في عام 2019. ^{[ 15 ]}

يمكن تقييم أثر برنامج الرصد البشري (HMP) جزئيًا من خلال دراسة الأبحاث التي رعاها البرنامج. فقد أُدرج أكثر من 650 منشورًا محكّمًا على موقع البرنامج الإلكتروني خلال الفترة من يونيو 2009 وحتى نهاية عام 2017، وتم الاستشهاد بها أكثر من 70,000 مرة. ^{[ 23 ]} وفي هذه المرحلة، أُرشف الموقع الإلكتروني ولم يعد يُحدّث، مع أن مجموعات البيانات لا تزال متاحة. ^{[ 24 ]}

تضمنت الفئات الرئيسية للأعمال التي مولتها إدارة السجون ما يلي:

• تطوير أنظمة قواعد بيانات جديدة تتيح تنظيم وتخزين والوصول والبحث والتعليق على كميات هائلة من البيانات بكفاءة. تشمل هذه الأنظمة: IMG، قاعدة بيانات الجينومات الميكروبية المتكاملة ونظام التحليل المقارن؛ ^{[ 25 ]} وIMG/M، وهو نظام ذو صلة يدمج مجموعات بيانات الميتاجينوم مع جينومات الميكروبات المعزولة من نظام IMG؛ ^{[ 26 ]} وCharProtDB ، وهي قاعدة بيانات لتعليقات البروتينات الموصوفة تجريبيًا؛ ^{[ 27 ]} وقاعدة بيانات الجينومات على الإنترنت (GOLD)، لرصد حالة مشاريع الجينوم والميتاجينوم في جميع أنحاء العالم وبياناتها الوصفية المرتبطة بها. ^{[ 28 ]}
• تطوير أدوات للتحليل المقارن تُسهّل التعرف على الأنماط المشتركة والمواضيع الرئيسية والاتجاهات في مجموعات البيانات المعقدة. تشمل هذه الأدوات RAPSearch2، وهي أداة بحث سريعة وفعّالة من حيث الذاكرة للبحث عن تشابه البروتينات في بيانات التسلسل من الجيل التالي؛ ^{[ 29 ]} وBoulder ALignment Editor (ALE)، وهي أداة محاذاة الحمض النووي الريبوزي (RNA) عبر الإنترنت؛ ^{[ 30 ]} وWebMGA، وهو خادم ويب قابل للتخصيص لتحليل تسلسل الميتاجينوم بسرعة؛ ^{[ 31 ]} وDNACLUST، وهي أداة لتجميع جينات العلامات الوراثية بدقة وكفاءة ^{[ 32 ].}
• تطوير أساليب وأنظمة جديدة لتجميع مجموعات بيانات التسلسل الضخمة. لا توجد خوارزمية تجميع واحدة تعالج جميع المشكلات المعروفة لتجميع التسلسلات القصيرة، ^{[ 33 ]} لذا فإن برامج التجميع من الجيل التالي مثل AMOS ^{[ 34 ]} تتميز ببنيتها المعيارية، مما يوفر نطاقًا واسعًا من أدوات التجميع. وقد طُوّرت خوارزميات جديدة لتحسين جودة وفائدة مسودات تسلسل الجينوم. ^{[ 35 ]}
• تجميع فهرس للجينومات المرجعية المتسلسلة لسلالات بكتيرية نقية من مواقع متعددة في الجسم، والتي يمكن مقارنة نتائج الميتاجينوم بها. وقد تم تجاوز الهدف الأصلي المتمثل في 600 جينوم بشكل كبير؛ والهدف الحالي هو أن يضم هذا الفهرس المرجعي 3000 جينوم، متسلسلة على الأقل إلى مرحلة مسودة عالية الجودة. اعتبارًا من مارس 2012 تم فهرسة 742 جينومًا. ^{[ 36 ]}
• إنشاء مركز تحليل البيانات والتنسيق (DACC)، ^{[ 37 ]} والذي يعمل كمستودع مركزي لجميع بيانات HMP.
• دراسات متنوعة تستكشف القضايا القانونية والأخلاقية المرتبطة بأبحاث تسلسل الجينوم الكامل. ^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}

وشملت المشاريع التطويرية الممولة من قبل برنامج إدارة السجون ما يلي:

• أساليب تنبؤية جديدة لتحديد مواقع ارتباط عوامل النسخ النشطة. ^{[ 42 ]}
• تحديد، على أساس الأدلة البيولوجية المعلوماتية، طليعة ناقل الإلكترون المنتجة على نطاق واسع بواسطة الريبوسوم ^{[ 43 ]}
• ^{[ 44 ]} صور متحركة بتقنية الفاصل الزمني للميكروبيوم البشري.
• تحديد التكيفات الفريدة التي تتبناها البكتيريا الخيطية المجزأة (SFB) في دورها كبكتيريا متعايشة في الأمعاء. ^{[ 45 ]} تُعد البكتيريا الخيطية المجزأة ذات أهمية طبية لأنها تحفز الخلايا التائية المساعدة 17 ، والتي يُعتقد أنها تلعب دورًا رئيسيًا في أمراض المناعة الذاتية .
• تحديد العوامل التي تميز الميكروبات المعوية السليمة والمريضة. ^{[ 46 ]}
• تحديد دور مهيمن غير معروف سابقًا لبكتيريا Verrucomicrobiota في مجتمعات البكتيريا في التربة. ^{[ 47 ]}
• تحديد العوامل التي تحدد قدرة سلالات غاردنريلا المهبلية على إحداث المرض في التهاب المهبل . ^{[ 48 ]}
• تحديد وجود صلة بين الميكروبات الفموية وتصلب الشرايين. ^{[ 49 ]}
• إثبات أن الأنواع الممرضة من النيسرية المتورطة في التهاب السحايا ، وتسمم الدم ، والأمراض المنقولة جنسياً تتبادل عوامل الضراوة مع الأنواع المتعايشة. ^{[ 50 ]}

• مشروع الميكروبيوم البشري
• مركز تحليل البيانات والتنسيق لمشروع الميكروبيوم البشري (HMP)
• مبادرة الميكروبيوم الكندية التابعة لمعهد البحوث الصحية الكندي
• الاتحاد الدولي للميكروبيوم البشري
• 2006، ملخص مبسط لدراسة ميكروبيوم القولون ( الدراسة الفعلية: جيل وآخرون، 2006 )
• أوليفيا جودسون، الميكروبات 'R' Us ، مؤرشفة بتاريخ 27 سبتمبر 2009 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) ، نيويورك تايمز، 22 يوليو 2009
• جينا كولاتا: صحة جيدة؟ اشكروا بكتيرياكم التي يبلغ عددها 100 تريليون. نيويورك تايمز، 13 يونيو 2012