Измерение эффективности микробиома и вопросы поиска причин современных неинфекционных заболеваний.

Измерение эффективности микробиома: роль доступных для восприятия датчиков.

ОБЗОРНЫЙ МАТЕРИАЛ

Резюме: Во всем мире растет бремя неинфекционных заболеваний, связанных с ожирением, психическим здоровьем и атопическими заболеваниями. В предыдущей публикации мы придерживались развивающейся идеи о том, что эти условия возникают по мере того, как наш микробиом теряет разнообразие, но, по-видимому, нет общепринятого способа оценить значимость этой потери. В нашей работе мы вновь обратились к результатам африканских исследований, проведенных Денисом Беркиттом, который сообщил, что частота так называемых западных заболеваний обратно пропорциональна среднему объему фекалий пораженного населения. Хотя он приписывал это клетчатке в рационе, теперь кажется более вероятным, что падение объема фекалий с началом заболевания связано с потерей полностью функционирующего микробиома. Мы предположили, что микробиом можно рассматривать как единое мутуалистическое микробное сообщество, взаимодействующее с нашим организмом посредством двух взаимодополняющих наборов семиохимических веществ, то есть алломонов, которые питают микробиоту, способствуя эффективному переносу пищи через кишечник, и кайромонов, которые калибруют нашу иммунную систему по пока неизвестному механизму. Биологически активные соединения, дофамин и серотонин, как известно, присутствуют в просвете кишечника под влиянием кишечной микробиоты, и мы предполагаем, что они являются частью этой алломоноподобной системы. В свете этой возможности крайне важно разработать метод количественной оценки эффективности микробиома. Проглатываемые датчики состоят из миниатюрного детектора и передатчика, упакованных в капсулу, которая проглатывается и отслеживается через кишечник. Целью данной статьи является изучение возможности разработки таких ингибируемых детекторов для тех или иных соединений, которые могут выступать в качестве суррогатного маркера эффективности микробиома. Мы считаем, что возможность предоставлять в реальном времени количественную информацию о взаимодействии микробиома с различными питательными веществами обещает стать ценным новым инструментом для разгадки тайны этих неинфекционных заболеваний.

1. Введение: микробиом в здоровье и болезни

Растет частота неинфекционных заболеваний, таких как ожирение [1], психические расстройства [2] и атопические заболевания [3], которые связаны с дефектами иммунной системы, обусловленными нарушением микробиома [4-6]. Подобно аутоиммунным заболеваниям, которые поражают либо сам кишечник [7], либо удаленные от него участки [8], диабет 1-го типа [9] и Рак также ассоциированы с дефектами иммунной системы, обусловленными нарушением микробиома [10]. По-видимому, эффективный микробиом имеет решающее значение в раннем возрасте, особенно при калибровке развивающейся иммунной системы [11]. Целью данной статьи является краткое рассмотрение возможности выявления подходящих микробных метаболитов с целью оценки эффективности микробиома кишечника человека.

Как и в предыдущей работе [12], термин микробиота используется для обозначения реальных видов микробов, тогда как микробиом - это совокупность микробов, экспрессирующих гены, которые в основном полезны хозяину; это происходит потому, что люди эволюционировали в мире микробов и вирусов. Поэтому микробиом считается более важным, чем отдельные микробы, потому что полезные гены или их фенотипические продукты могут быть разделены между широко различными видами [13]. Слово дисбактериоз [14] используется для описания частичной недостаточности микробиома.

2. Горизонтальный перенос генов

Общее взаимодействие и контроль между составляющими организмами в микробиомах зависит от процесса горизонтального переноса генов (HGT). Чтобы полностью понять, как живые организмы, особенно микробные, приобретают физиологические свойства и метаболические характеристики, которых у них раньше не было, необходимо обратиться к механизмам мобильных генетических элементов (MGEs), то есть к обмену или передаче всего нескольких генов. Этот процесс обычно называют HGT, в отличие от процесса вертикального переноса генов, который происходит во время полового размножения, когда весь геном передается потомству. Существует три таких механизма, а именно бактериальная трансформация [15], бактериальная конъюгация [16] и трансдукция [17,18]. Все три HGT функционируют в кишечнике человека, вероятно, одновременно, передавая гены между видами, родами и даже типами.

Короче говоря, бактериальная трансформация происходит, когда MGEs из лизированного содержимого микробных клеток поглощаются другими живыми клетками;

Бактериальная конъюгация происходит между двумя живыми микробными клетками, то есть между клетками хозяина и компетентными клетками реципиента через половые трубки, а именно пили. В этом отношении процесс является активным и имитируется клеткой-хозяином, в то время как клетки-реципиенты остаются пассивными во время конъюгации.

Наконец, трансдукция происходит, когда инфицированные фагами микробные клетки, после их гибели (лизиса), высвобождают фаги, которые упакованы с MGEs клеток-хозяев и заражают другие микробные клетки, тем самым передавая признаки клеток-хозяев клеткам-реципиентам. Во всех трех случаях клетка-реципиент трансформируется за счет интеграции и последующей рекомбинации входящих MGEs с ее хромосомой. В контексте человеческого микробиома, HGT, потеря генов и кража продуктов метаболизма становится важным фактором здоровья и болезней. Куманду (Koumandou) и его коллеги нанесли на карту распределение девяти биоэнергетических модусов с использованием последовательностей 16S рРНК (более поздних) из 272 видов полностью секвенированных прокариот, которые представляли все разнообразие прокариотических предков. Они сообщили, что существует нерегулярное распределение метаболических путей между различными линиями из-за событий переноса генов и древнего происхождения и диверсификации цитохромов b-типа, что означает, что биоэнергетические пути были динамичными среди микробного сообщества кишечника человека [19-21].

• Дополнительно см.: Горизонтальный перенос генов или как микробы помогают нам эволюционировать (Отрывок из книги Эда Йонга, посвященный "горизонтальному переносу генов" бактерий).

3. Разнообразие микробиома: пробиотики и сторожевые клетки

Предыдущие исследования были сосредоточены главным образом на отдельных видах микробов и их вариациях в различных состояниях болезни. Однако теперь ясно, что отдельные виды широко варьируют в ответ на множество различных условий, даже при отсутствии явных заболеваний. Функция микробиома, в котором ценные гены экспрессируются несколькими различными видами, вероятно, более важна, чем собственно микробные образования [22]. Таким образом, разнообразие микробиома страхует его от подавления отдельных микробов, например, при значительном изменении рациона питания [23]. Человек с низким разнообразием кишечной микробиоты уязвим к болезням, если события (или выбор образа жизни) означают, что остаточная микробная активность недостаточна для снабжения необходимыми семиохимическими веществами. По сути, эти неинфекционные заболевания считаются дефицитными заболеваниями, и поэтому, в принципе, их можно лечить путем добавления пробиотиков в рацион питания [24].

Коммерческие пробиотики могут снизить риск вызванной антибиотиками диареи и некротического энтероколита у недоношенных детей [25], особенно наряду с пребиотическим лечением [26]. Эффективное лечение избыточного роста Clostridium difficile обеспечивается посредством окончательной пробиотической трансплантации микробиоты фекалий (FMT), при которой весь микробиом заменяется за один раз [27,28]. Если микробиом не слишком сильно поражен, например, при попытке лечения язвенного колита, то FMT требует нескольких процедур или не эффективна совсем [29].

Было установлено, что присутствие в рационе мышей микробов, полученных из йогурта, было достаточным для того, чтобы вызвать иммунный ответ, не изменяя видимой природы их микробиома [30]. Этот пищевой микробный иммуностимулирующий эффект отсутствовал у мышей без микробов, что позволяет предположить, что кишечный микробиом выступает в качестве посредника между внешними микробами и иммунной системой [30]. Похоже, что опрос внешних микробов с помощью микробиома in situ может передавать информацию обратно, чтобы косвенно активировать иммунную систему хозяина, а не прямое действие между внешними микробами и самой иммунной системой хозяина. В более ранней статье мы назвали такие опрашиваемые виды «микробными дозорными клетками» [12] и предположили, что они такие же, как «старые друзья» проф. Рука и его коллег [6]. Подразумевается, что добавленные пробиотики могут иметь тот же эффект, что и слегка обработанные продукты, в которых содержатся микробы окружающей среды. Важно отметить, что внешние микробы, поврежденные при нагревании, все же могут вызывать положительный ответ, если присутствует достаточное количество антигенов для активации этих часовых клеток, что напоминает эксперименты Гриффита с трансформирующим фактором [15]. Таким же образом, достаточное количество плазмидных частиц может пережить чрезмерное нагревание во время приготовления, чтобы их можно было распознать и включить в геном соответствующей микробиоты.

Прим. ред.: Гипотеза "старых друзей" была предложена профессором Грэмом Руком (Prof Graham A.W. Rook) в 2003 году в качестве альтернативы или уточнения гигиенической гипотезы, первоначально выдвинутой Дэвидом Стрейкеном в 1989 году в качестве объяснения роста аллергических заболеваний. Эта гипотеза делает акцент на жизненно важных микробах, которые присутствовали на протяжении всего существования человека в качестве микробиоты, переносимой латентной инфекции или в состоянии носительства. Это отличается от воздействия других микробиологических инфекций, которые являются причиной простуды, гриппа, кори и аналогичных детских заболеваний. Считается, что иммунная система зависит от определенных микробов, которые эволюционировали вместе с человеческим организмом. Таким образом, их отсутствие может привести к нарушению функций иммунной системы.

Процессы HGTs объясняют механизмы, посредством которых включаются экзогенные гены. Например, рассмотрим трансформацию при лизисе бактериофагов, когда MGEs, содержащие элементы гена резистентности, высвобождаются, а затем поглощаются окружающими микробами и, следовательно, придают антибиотикорезистентность [31]. Такое широкое распространение HGT [32,33], как ожидается, приведет к распространению генов между различными родами и даже типами микробов в пределах разнообразного микробиома [34]. Бактерии и археи [35] вносят больший вклад при передаче генов; тогда как микроэукариоты, включая амеб и даже некоторые виды грибов [36], также играют определенную роль, но о роли этих групп организмов известно гораздо меньше.

Поскольку микробные сообщества состоят из сотен различных видов, содержащих членов всех трех микробных доменов жизни, а именно архей, бактерий и эукариев, мы считаем маловероятным, что мы сможем получить много понимания из получающегося множества индивидуальных взаимодействий. Соответственно, микробиом лучше всего рассматривать как единое целое; именно это коллективное взаимодействие между различными организмами, в том числе хозяином, важно в этом отношении людям [12]. Интересно, что Маргулис (Margulis) впервые выдвинул концепцию неповрежденного микробиома, действующего совместно с хозяином как единое эволюционное звено еще в 1991 году [37]. Используемый термин был «холобионт» [38]. Хотя это все еще активно обсуждается, концепция голобионта может быть применена как к нашему телу, так и к нашему мутуалистическому микробиому. Этот термин может также применяться к другим животным и в большей или меньшей степени может быть общим для всех видов позвоночных.

4. Выявление разнообразия и общего состава микробиома

В общем, проблема с микробиомом состоит в том, что мы можем выращивать в лаборатории менее 5% видов микробов, остальные просто слишком привередливы. Однако исследования с использованием таких методов, как полимеразные цепные реакции (ПЦР), по крайней мере, предварительно идентифицируют рибосомную РНК (рРНК) известных микроорганизмов; рРНК, в частности 16S рРНК или 18S рРНК, которые обнаруживаются во всех клеточных формах жизни, идеально подходят для таких исследований, поскольку они высоко консервативны. 16S рРНК является хранителем всех прокариот [39], а 18S рРНК является неотъемлемой частью всех эукариот [40], тогда как «S» в 16S / 18S является единицей седиментации Сведберга, отмечая, что рибосомы первого из них меньше и легче (70S и 2700 кДа) по весу, чем последние (80S и 4200 кДа). Этот метод представляет собой процесс, при котором рибосомные гены (строго говоря, рибосомные транскрипты), то есть сегменты ДНК, которые кодируют 16S / 18S рРНК, являются высоко консервативными и, следовательно, уникальными для каждого отдельного вида. Чтобы сделать возможной идентификацию рРНК, необходимы следующие три аспекта консервативных областей: вначале изучаемые консервативные гены должны быть повсеместно распределены среди всех видов клеток. Во-вторых, чтобы идентифицировать высококонсервативные гомологичные сегменты таких генов, консервативные области должны сначала быть выделены, а затем размещены рядом для сравнения и сопоставления различий в последовательностях внутри них. Эти различия дают новые генотипические признаки вновь появляющимся видам. Наконец, частота точечных мутаций в пределах консервативного региона должна быть на приемлемом уровне и должна быть обусловлена ​​естественными причинами, обычно занимающими миллионы лет, а не быстрым изменением, которое испытывает геном в целом. После подтверждения этих трех требований амплификация консервативных сегментов может быть осуществлена ​​с помощью полимеразных ферментов, чтобы сделать возможным обнаружение микробов в микробиомах.

5. Мутуалистический Микробиом: Дисбактериоз

Наша предыдущая публикация [12] последовала за наблюдениями Беркитта (Burkitt) во время его путешествий по Африке после Второй мировой войны. Беркитт отметил, что сельские африканцы едят большое количество клетчатки и их стул в три-пять раз массивнее, чем у обычных жителей развитых стран. Он также отметил отсутствие у своих подопечных того, что он назвал “характерными современными западными болезнями” [41]. Мы развили это наблюдение в свете современного понимания микробиома и предположили, что различные вещества, выделяемые микробиотой, ведут себя как семиохимические вещества [42], представляющие собой мутуалистическое взаимодействие органов человека с различными микробными метаболитами (не только кишечником [7,8]). В частности, мы считали, что такие вещества, как дофамин и серотонин, улучшают моторику кишечника, то есть координация нервов и мышц обеспечивает плавный транзит содержимого кишечника [43–45]. Таким образом, микробиом получает достаточное питание для выполнения своей роли - калибровки иммунной системы [12]. Этот механизм объяснил бы большие объемы фекалий, отмеченные Беркиттом [41]. Напротив, отказ этих семиохимических систем приводит к уменьшению объема фекалий и соответствующему увеличению вероятности заболевания (рис. 1). *Обратите внимание на использование проглатываемого датчика (сенсора) для оценки общей эффективности микробиома (будет описано ниже).

Рисунок 1. Последствия измененной функции микробиома и вариабельной семиохимической продукции.

Эта концепция единого мутуалистического микробиома, который имеет семиохимический режим действия, хотя и с переменными взаимодействующими микробными видами, предлагает ценное новое понимание развития микробиомно-функциональных заболеваний. Важно понимать, что, насколько нам известно, не существует конкурирующей теории, которая сводила бы три современные эпидемии ожирения, измененную иммунную функцию и плохое психическое здоровье к одному единственному обоснованию. Точно так же нет количественных данных, подтверждающих или опровергающих наш аргумент [12]. Цель данной статьи - предложить способ получения таких данных. 

6. Проглатываемые зондирующие капсулы в контексте Микробиомных исследований

Проглатываемые датчики состоят из миниатюрного детектора и передатчика, упакованных в капсулу, которую можно проглотить и проследить через кишечник. Они обладают способностью революционизировать изучение кишечника с широким спектром потенциальных задач, как для непосредственного практического применения, так и для исследовательских целей. Некоторые из них, такие как датчики рН, температуры и давления, недавно рассмотренные в работе [46], имеются в продаже. Процедура дистанционного зондирования - капсульная эндоскопия толстой кишки, была разработана для изучения внутренней стенки кишки с помощью видимого света и двух видеокамер, передающих изображения, обеспечивающие почти 360-градусный охват на внешний монитор. Его эффективность была пересмотрена относительно как обычной колоноскопии, так и компьютерной томографии колонографии [47]. С несколько иной целью недавно была разработана одноразовая система дистанционного зондирования для мониторинга комплаентности среди людей, страдающих тяжелыми психическими заболеваниями, принимая «цифровую таблетку», содержащую атипичный антипсихотический арипипразол [48], пример расширяющейся области цифровой медицины [49]. Можно использовать любую чувствительную систему, способную к миниатюризации. В одном недавнем примере использовались бактерии, которые сами были сконструированы для получения люминесцентного сигнала при воздействии определенного агента. Этот сигнал был преобразован в радиопередачу для внешнего наблюдения. В своих исследованиях, посвященных проверке концепции, для выявления кровотечений в кишечнике свиней использовался гемовый белок. Авторы сообщили, что их технология может быть применена для обнаружения многих различных веществ [50].

Определение газообразования путем микробного брожения в кишечнике было доведено до стадии клинических испытаний [51]. Газы, водород, углекислый газ и кислород, являются первыми примерами измерения химических компонентов кишечника в реальном времени in situ. Они представляют собой начало процесса распутывания сложной химии микробиома, потенциально позволяя исследователям проследить его функцию в здоровье и в болезни [52,53].

Многие из семиохимических веществ, выделяемых микробным содержимым кишечника, химически идентичны веществам-посредникам, которые, как известно, присутствуют в мозге, что приводит к заключению, что их значение может быть связано с временем их появления относительно телесных событий, таких как еда или сон, например. Обладание проглатываемым сенсором, откалиброванным для обнаружения этих семиохимических веществ, было бы неоценимой помощью для понимания прогресса неинфекционных состояний, описанных Беркиттом как «Западная болезнь» [41]. В частности, успешное применение научного метода требует наличия воспроизводимых, в идеале количественных данных. Простое измерение объема фекалий не дает адекватных данных и не используется со времени его исследований. Проглатываемый датчик может быть использован в качестве количественного суррогатного маркера для более глубокого понимания этих условий. До тех пор, пока научный метод не будет установлен, вполне вероятно, что область микробиома будет по-прежнему осаждена необоснованными заявлениями, связанными с пользой для здоровья. Должно быть возможно получить много ценных данных из экспериментов на животных, так как маловероятно, что взаимодействие микроорганизмов с животными специфично для человека. В качестве примера мы предположили, что применение антибиотиков для усиления роста сельскохозяйственных животных, таких как свиньи [54], вероятно, связано с деградацией их микробиома [12]. Интересно отметить, что как птицеводство, так и рыбоводство также выигрывают от стимулирования роста антибиотиками [55,56], предполагая, что если это тот же механизм, что и стимулирование роста у млекопитающих, то он простирается, по крайней мере, до их самых ранних предков.

7. Целевые метаболиты: суррогатный маркер эффективности микробиома

Выбор целевого метаболита зависит от технических соображений, включая химическую селективность, простоту измерения и устойчивость к агрессивным условиям кишечника [46]. Другим ключевым соображением должно быть соответствие цели функциям самого микробиома. Хотя многие соединения образуются в просвете кишечника, трудно сказать, какие из них ведут себя как специфические сигнальные молекулы между кишечником и человеческими органами, а именно как семиохимические вещества. Соли короткоцепочечных жирных кислот, включая ацетат, пропионат и бутират, по-видимому, являются конечными продуктами метаболизма волокон, работающих в бескислородной среде. Как таковые, они представляют собой маркер для эффективного функционирования микробиома, однако, хотя они оказывают глубокое воздействие на иммунную систему и клетки стенки кишечника, по нашему мнению, они вряд ли являются специфическими семиохимическими веществами [57,58].

Серотонин выполняет множество функций по всему организму [59] и вырабатывается в просвете кишечника в присутствии соответствующих микробов [45]. Однако существует также производство и хранение серотонина в соседних энтерохромаффинных клетках под влиянием короткоцепочечных жирных кислот, и поэтому он не может оказаться четкой мишенью для проглатываемой аналитической системы [60]. Напротив, производство дофамина известно, но менее хорошо характеризуется в просвете кишечника [43]. Известно, что он стимулирует иммунную систему [44] и, хотя дофамин не проходит гематоэнцефалический барьер, он все же может способствовать укреплению оси «микробиом-кишечник-мозг» [5]. Случайное наблюдение, сделанное при изучении обсессивно-компульсивного расстройства, привело к выводу, что выработка дофамина в головном мозге влияет на чувствительность периферических тканей к инсулину [61]. В настоящее время нет способа оценить поток образования дофамина в кишечнике, а следовательно, и его вклад в развитие диабета и связанных с ним состояний. Проглатываемый датчик, откалиброванный для определения дофамина, позволит исследователям изучить эту потенциально важную связь.

Интересно, что было показано, что механизм производства химических веществ-мессенджеров (то есть нейротрансмиттеров) был передан от бактерий к клеткам животных через горизонтальный перенос генов. К таким нейротрансмиттерам относятся катехоламин дофамин и индол серотонин, а также гистамин, ацетилхолин и даже оксид азота. Предполагается, что эти передачи генов происходили раздельно, как до, так и после дивергенции животных от грибов [62].

8. Что это за история?

Мы разработали концепцию микробиома как единого «мутуалистического микробного сообщества» с переменными членами, но взаимодействующего с хозяином по одному семиохимическому алломон-кайромонному механизму действия [12]. Считается, что существует ограниченное число критических метаболитов, которые определяют эффективный микробиом, и что их измерение даст возможность количественно оценить их эффективность. Эта концепция находится в стадии активного рассмотрения.

Причины этих современных неинфекционных заболеваний непременно должны быть сложными и их трудно раскрыть. Тем не менее, все еще есть отдельные люди, ведущие образ жизни, широко отстраненный от западного образа жизни, подобный тем, которые первоначально изучал Денис Беркитт [41], у которых низкий уровень ожирения и болезней сердца. К таким людям относится Цимане, смешанное сообщество охотников-собирателей и фермеров, проживающее в боливийской Амазонии, которое находится под медицинским обслуживанием с 2012 года. Хотя некоторые из их медицинских данных были представлены в 2017 году, не было никакого упоминания об их микробиомном статусе [63]. Одна из проблем заключается в том, что в настоящее время нет способа измерить фактическую эффективность микробиома в целом, хотя микробные виды могут быть сведены в таблицу.

В заключение следует отметить, что идентификация этих критических метаболитов и разработка метода измерения in situ может предложить беспрецедентную возможность для изучения эффективности микробиома, а также прогрессирования и возможного излечения заболеваний с дефицитом функции микробиома.

Литература

1. Reilly, J.J.; El-Hamdouchi, A.; Diouf, A.; Monyeki, A.; Somda, S.A. Determining the world-wide prevalence of obesity. Lancet 2018, 39, 1773–1774.
2. Steel, Z.; Mamane, C.; Iranpour, C.; Chey, T.; Jackson, J.W.; Patel, V.; Silove, D. The global prevalence of common mental disorders: a systematic review and meta-analysis 1980-2013. Int. J. Epidemiol. 2014, 43 476–493.
3. 3.      Hill, D.A.; Spergel, J.M. The atopic march: critical evidence and clinical relevance. Ann. Allergy Asthma Immunol. 2018, 120, 131–137.
4. Clemente, J.C.; Ursell, L.K.; Parfrey, L.W.; Knight, R. The impact of the gut microbiota on human health: an integrative view. Cell 2012, 148, 1258–1270.
5. Torres-Fuentes, C.; Schellenkens, H.; Dinan, T.G.; Cryan, J.F. The microbiota gut-brain-axis in obesity. Lancet Gastroenterol. Hepatol. 2017, 2, 747–756.
6. Lowry, C.A.; Smith, D.G.; Sielber, P.H.; Schmidt, D.; Stamper, C.E.; Hassell, J.E.; Yamashita, P.S.; Fox, J.H.; Reber, S.O.; Brenner, L.A.; et al. The Microbiota, Immunoregulation, and Mental Health: Implications for Human Health. Curr. Environ. Health Rep. 2016, 3, 270–286.
7. De Palma, G.; Collins, S.M.; Bercik, P. The microbiota-gut-brain axis in functional gastrointestinal disorders. Gut Microbes 2014, 5, 419–429.
8. Opazo, M.C.; Ortega-Rocha, E.M.; Coronado-Arrazola, I.; Bonifaz, L.C.; Boudin, H.; Neunlist, M.; Bueno, S.M.; Kalgeris, A.M.; Riedel, C.A. Intestinal microbiota influences non-intestinal related autoimmune diseases. Front. Microbiol. 2018, 9, 432.
9. Vaarala, O.; Atkinson, M.A.; Neu, J. The “perfect storm” for type 1 diabetes – the complex interplay between intestinal microbiota, gut permeability, and mucosal immunity. Diabetes 2008, 57, 2555–2562. Gastrointest. Disord. 2020, 2 9
10. Greer, J.B.; O’Keefe, S.J. Microbial induction of immunity, inflammation, and cancer. Front. Physiol. 2011, 1, 168.
11. Zhao, Q.; Elson, C.A. Adaptive immune education by gut microbiota antigens. Immunology 2018, 154, 28–37.
12. Jheeta, S.; Smith, D. Seeing the wood for the trees: A new way to view the human intestinal microbiome and its connection with non-communicable disease. Med. Hypoth. 2019, 125, 70–74.
13. Lozupone, C.A.; Hamady, M.; Cantarel, B.L.; Coutinho, P.M.; Henrissat, B.; Gordon, J.I.; Knight, R. The convergence of carbohydrate active gene repertoires in human gut microbes. Proc. Nat. Acad. Sci. 2008, 105, 15076–15081.
14. Hooks, K.B.; O’Malley, M.A. Dysbiosis and its discontents. mBio 2017, 8, e01492-17.
15. Griffith, F. The significance of pneumococcal types. J. Hyg. 1928, XXVII, 113 159.
16. Lederberg, J.; Tatum, E.L. Gene recombination in E. coli. Nature 1946, 158, 558.
17. Stanier, R.Y.; Doudoroff, M.; Adelberg, E.A. General Microbiology. The MacMillan Press Ltd: Basingstoke, UK, 1973, Chapter 14.
18. Kellenberger, E. The genetic control of the shape of a virus. Sci. Am. 1966, 215, 32–39.
19. Koumandou, V.L.; Kossida, S. Evolution of the F0F1 ATP Synthase Complex in Light of the Patchy Distribution of Different Bioenergetic Pathways across Prokaryotes. PLOS Comput. Biol. 2014, 10, e1003821.
20. Agioutantis, P.; Koumandou, V.L. Bioenergetic diversity of the human gut microbiome. Meta Gene 2018, 16, 10–14.
21. Koumandou, V.L.; Kossida, S. Evolution of b-type cytochromes in prokaryotes. Peer J. PrePrints 2015, 3, e1564v1.
22. Lozupone, C.A.; Stombaugh, J.I.; Gordon, J.I.; Jansson, J.K.; Knight, R. Diversity, stability and resilience of the human gut microbiota. Nature 2012, 489, 220–230.
23. Sonnenburg, E.D.; Smits, S.A.; Tikhonov, M.; Higginbottom, S.A.; Wingreen, N.S.; Sonnenburg, J.L. Diet-induced Extinctions in the Gut Microbiota Compound over Generations. Nature 2016, 529, 212–215.
24. Hill, C.; Guarner, F.; Reid, G.; Gibson, G.R.; Merenstein, D.J.; Pot, B.; Morelli, L.; Canani, R.B.; Flint, H.J.; Salminen, S.; Calder, P.C.; Sanders, M.E. Expert consensus document. The international scientific association for probiotics and prebiotics consensus statement on the scope and appropriate use of the term probiotic. Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. 2014, 11, 506–514.
25. AlFaleh, K.; Anabrees, J. Probiotics for the prevention of necrotizing enterocolitis in preterm infants. Cochrane Database Syst. Rev. 2014, 4, CD005496, doi:10. 1002/14651858.CD005496.pub4.
26. Underwood, M.A.; Salzman, N.H.; Bennett, S.H.; Barman, M.; Mills, D.A.; Marcobal, A.; Tancredi, D.J.; Bevins, C.L.; Sherman, M.P. A randomized placebo controlled comparison of 2 prebiotic/probiotic combinations in preterm infants: impact on weight gain, intestinal microbiota, and fecal short-chain fatty acids. J. Paediatr. Gastroenterol. Nutr. 2009, 48, 216–225.
27. Petrof, E.O.; Khoruts, A. From stool transplants to next-generation microbiota therapeutics. Gastroenterology 2014, 146, 1573–1582.
28. Hamilton, M.J.; Weingarden, A.R.; Unno, T.; Koruts, A.; Sadowsky, M.J. High-throughput DNA sequence analysis reveals stable engraftment of gut microbiota following transplantation of previously frozen fecal bacteria. Gut Microbes 2013, 4, 125–135.
29. 29.  Borody, T.J.; Campbell, J. Fecal microbiota transplantation: current status and future directions. Expert Rev. Gastroenterol. Hepatol. 2011, 5, 653–655.
30. Poutahidis, T.; Kleinewietfeld, M.; Smillie, C.; Levkovich, T.; Perrota, A.; Bhela, S.; Varian, B.J.; Ibrahim, Y.M.; Lakritz, J.R.; Kearney, S.M.; et al., Microbial reprogramming inhibits Western diet-associated obesity. PLoS ONE 2013, 8, e68596.
31. Lekunberri, I.; Subirats, J.; Borrego, C.M.; Balcazar, J.L. Exploring the contribution of bacteriophage to antibiotic resistance. Envir. Pollut. 2017, 220, 981–984.
32. Jheeta, S. The Routes of Emergence of Life from LUCA during the RNA and Viral World: A Conspectus. Life 2015, 5, 1445–1453.
33. Jheeta, S. The Landscape of the Emergence of Life. Life 2017, 7, 27.
34. Keen, E.C.; Bliskovsky, V.V.; Malagon, F.; Baker, J.D.; Prince, J.S.; Klaus, J.S.; Adhya, S.L.; Groisman, E.A. Novel “superspreader” bacteriophages promote horizontal gene transfer by transformation. mBio. 2017, 8, e02115-16. Gastrointest. Disord. 2020, 2 10
35. Pietilä, M.K.; Demina, T.A.; Atanasova, N.S.; Oksanen, H.M.; Bamford, D.H. Archaeal viruses and bacteriophages: comparisons and contrasts. Trends Microbiol. 2014, 22, 334–344.
36. Laforest-Lapointe, I.; Arrieta, M.-C. Microbial eukaryotes: a missing link in gut microbiome studies. mSystems 2018, 3, e00201-17.
37. 37.  Margulis, L. Symbiogenesis and symbionticism. In Symbiosis as a source of evolutionary innovation: speciation and morphogenesis; Margulis, L., Fester, R., eds; MIT press: Cambridge, MA, USA, 1991; pp. 49–92.
38. 38.  Guerrero, R.; Margulis, L.; Berlanga, M. Symbiogenesis: the holobiont as a unit of evolution. Int. Microbiol. 2013, 16, 133–143.
39. 39.  Woese, C.R.; Fox, G.E. Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 1974, 74, 5088–90.
40. Yarus, M. Life from an RNA world. Harvard University Press: Cambridge, MA, USA, 2010; Chapter 3.
41. Burkitt, D.P. Some diseases characteristic of modern western civilization, BMJ 1973, 1, 274–278.
42. Semiochemicals of Forest and Shade Tree Insects in North America and Management Applications. Available online: https://iucat.iu.edu/iupui/5439806 (accessed on 11 September 2019).
43. Asano, Y.; Hiramoto, T.; Nishino, R.; Aiba, Y.; Kimura, T.; Yoshihara, K.; Koga, Y.; Sudo, N. Critical role of gut microbiota in the production of biologically active, free catecholamines in the gut lumen of mice. AJP Gastrointest. Liver Physiol. 2012, 303, G1288–G1295.
44. Xue, R.; Zhang, H.; Pan, J.; Du, Z.; Zhou, W.; Zhang, Z.; Tian, Z.; Zhou, R.; Bai, L. Peripheral dopamine controlled by gut microbes inhibits invariant natural killer T cell-mediated hepatitis. Front. Immunol. 2018, 9, 2398.
45. Hata, T.; Asano, Y.; Yoshihara, K.; Kimura-Todani, T.; Miyata, N.; Zhang, X. T.; Takakura, S.; Aiba, Y.; Koga, Y.; Sudo, N. Regulation of gut luminal serotonin by commensal microbiota in mice. PLoS ONE 2017, 12, e0180745.
46. Kalantar-Zadeh, K.; Ha, N.; Ou, J.Z.; Berean, K.J. Ingestible sensors. ACS Sens. 2017, 2, 468–483.
47. Yung, D.E.; Rondonotti, E.; Koulaouzidis, A. Review: capsule colonoscopy-a concise clinical overview of current status. Ann. Transl. Med. 2016, 4, 398.
48. Peters-Strickland, T.; Pestreich, L.; Hatch, A.; Rohatagi, S.; Baker, R.A.; Docherty, J.P.; Markovtsova, L.; Raja, P.; Weiden, P.J.; Walling, D.P. Usability of a novel digital medicine system in adults with schizophrenia treated with sensor embedded tablets of aripiprazole. Neuropsychiatr. Dis. Treat. 2016, 12, 2587–2594.
49. Batra, S.; Baker, R.A.; Wang, T.; Forma, F.; DiBiasi, F.; Peters-Strickland, T. Digital health technology for use in patients with serious mental illness: a systematic review of the literature. Med. Devices (Auckl) 2017, 10, 237–251.
50. Mimee, M.; Nadeau, P.; Hayward, A.; Carim, S.; Flanagan, S.; Jerger, L.; Collins, J.; McDonnell, S.; Swartwout, R.; Citorik, R.J.; et al., An ingestible bacterial-electronic system to monitor gastrointestinal health. Science 2018, 360, 915–918.
51. Kalantar-Zadeh, K.; Berean, K.J.; Ha, N.; Chrimes, A.F.; Xu, K.; Grando, D.; Ou, J.Z.; Pillai, N.; Campbell, J.L.; Brkljača, R.; et al., A human pilot trial of ingestible electronic capsules capable of sensing different gases in the gut. Nat. Electron. 2018, 1, 79–87.
52. Kalantar-Zadeh, K.; Yao, C.K.; Berean, K.J.; Ha, N.; Ou, J.Z.; Ward, S.A.; Pillai, N.; Hill, J.; Cottrell, J.J.; Dunshea, F.R.; et al. Intestinal gas capsules: a proof-of-concept demonstration. Gastroenterology 2016, 150, 37–39.
53. Ou, J.Z.; Cottrell, J.J.; Ha, N.; Pillai, N.; Yao, C.K.; Berean, K.J.; Ward, S.A.; Grando, D.; Muir, J.; Harrison, C.J.; et al. Potential of in vivo real-time gastric gas profiling: a pilot evaluation of heat-stress and modulating dietary cinnamon effect in an animal model. Sci. Rep. 2016, 6, 33387.
54. Cromwell, G.L. Why and how antibiotics are used in swine production. Anim. Biotechn. 2002, 13, 7–27.
55. 55.  Davison, T.F.; Freeman, B.M. Physiological aspects of growth promotion in poultry. Vet. Res. Commun. 1983, 7, 59–68.
56. Reda, R.M.; Ibrahim, R.E.; Ahmed, E-N.G.; El-Bouhy, Z.M. Effect of oxytetracycline and florfenicol as growth promoters on the health status of cultured Oreochromis niloticus. Egyptian J. Aquatic Res. 2013, 39, 241–248.
57. Smith, P.M.; Howitt, M.R.; Panikov, N.; Michaud, M.; Gallini, C.A.; Bohlooly-Y, M.; Glickman, J.N.; Garrett, W.S. The microbial metabolites, short chain fatty acids, regulate colonic Treg cell homeostasis. Science 2013, 341, 569–573. Gastrointest. Disord. 2020, 2 11
58. De Vadder, F.; Kovatcheva-Datchary, P.; Goncalves, D.; Vinera, J.; Zitoun, C.; Duchampt, A.; Bäckhed, F.; Mithieux, G. Microbiota-generated metabolites promote metabolic benefits via gut-brain neural circuits. Cell 2014, 156, 84–96.
59. Berger, M.; Gray, J.A.; Roth, R.L. The expanded biology of serotonin. Annu. Rev. Med. 2009, 60, 355–366.
60. Reigstad, C.S.; Salmonson, C.E.; Rainey III, J.F.; Szurszewski, J.H.; Linden, D.R.; Sonnenburg, J.L.; Farrugia, G.; Kashyap, P.C. Gut microbes promote colonic serotonin production through an effect of short-chain fatty acids on enterochromaffin cells. FASEB J. 2015, 29, 1395–1403.
61. ter Horst, K.W.; Lammers, N.M.; Trinko, R.; Opland, D.M.; Figee, M.; Ackermans, M.T.; Booij, J.; van den Munckhof, P.; Schuurman, P.R.; Fliers, E.; et al. Striatal dopamine regulates systemic glucose metabolism in humans and mice. Sci. Transl. Med. 2018, 10, eaar3752.
62. Iyer, L.M.; Aravind, L.; Coon, S.L.; Klein, D.C.; Koonin, E.V. Evolution of cell-cell signaling in animals: did late horizontal gene transfer from bacteria have a role? Trends Genet. 2004, 20, 292–229.
63. Kaplan, H.; Thompson, R.C.; Trumble, B.C.; Wann, L.S.; Allam, A.H.; Beheim, B.; Frohlich, B.; Sutherland, M.L.; Sutherland, J.D.; Stieglitz, J.; et al. Coronary atherosclerosis in indigenous South American Tsimane: a cross sectional cohort study. Lancet 2017, 389, 1730–1739.