Role bakteriofágů na formování střevní mikrobioty u primátů

• Název práce v češtině: Role bakteriofágů na formování střevní mikrobioty u primátů
• Název v anglickém jazyce: Role of bacteriophages in the shaping of primate gut microbiome
• Akademický rok vypsání: 2025/2026
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Katedra zoologie (31-170)
• Vedoucí / školitel: Mgr. Jakub Kreisinger, Ph.D.

Seznam odborné literatury

Dion, M. B., Oechslin, F., & Moineau, S. (2020). Phage diversity, genomics and phylogeny. Nature Reviews Microbiology, 18(3), 125-138.

Sanders, J. G., Sprockett, D. D., Li, Y., Mjungu, D., Lonsdorf, E. V., Ndjango, J. B. N., ... & Moeller, A. H. (2023). Widespread extinctions of co-diversified primate gut bacterial symbionts from humans. Nature microbiology, 8(6), 1039-1050.

Gomez, A., Petrzelkova, K. J., Burns, M. B., Yeoman, C. J., Amato, K. R., Vlckova, K., ... & Blekhman, R. (2016). Gut microbiome of coexisting BaAka pygmies and bantu reflects gradients of traditional subsistence patterns. Cell reports, 14(9), 2142-2153.

Čížková, D., Payne, P., Bryjová, A., Ďureje, Ľ., Piálek, J., & Kreisinger, J. (2024). Convergence of gut phage communities but not bacterial communities following wild mouse bacteriophage transplantation into captive house mice. The ISME Journal, 18(1), wrae178.

Předběžná náplň práce

Střevní mikrobiota tvoří společenstvo mikroorganismů které je nedílnou součástí těla obratlovců ve kterém dominují především eubakterie. Střevní mikrobiota ovlivňuje zásadním způsobem celou řadu biologických funkcí svého hostitele jako je např. imunita, trávení, centrální nervový systém nebo humorální regulace. Přes intenzivní výzkum v posledních letech, který se věnoval především střevním eubakteriím, je řada faktorů určujících složení a funkce mikrobioty nedostatečně prozkoumána. Jedním z těchto faktorů je role bakteriofágů při regulaci společenstva střevních bakterií. Bakteriofágy jsou dominantními a poměrně selektivními predátoři bakterií. Na druhou stranu ale jejich integrace do bakteriálního genomu, může svým hostitelům přinášet i výhody z hlediska rozšíření jejich funkčního repertoáru. Výzkum střevních bakteriofágů a jejich interakcí s hostitelskými bakteriemi byl do nedávna omezen na modelové druhy živočichů a lidské populace v rozvinutých industrializovaných zemích. Nedostatečný zájem o toto téma byl do jisté míry způsobený relativně malým rozsahem referenčních databází a náročností analýz tohoto typu dat. Většina těchto překážek je však v posledních letech překonatelná. Existující bioinformatické nástroje umožňují predikovat bakteriofágové kontigy ze standardních metagenomických dat a jejich následnou funkční a ekologickou klasifikaci (např. predikce životního cyklu či bakteriálního hostitele). V rámci projektu bude student bioinformaticky a statisticky analyzovat již existující anebo nově vytvořená sekvenační data zahrnující celometagenomová data s velkou hloubkou čtení (ca. 40 Gb/vzorek) a data specificky obohacená o bakteriofágové genomy. Tato data zahrnují vzorky volně žijících lidoopů či lidoopů v lidské péči a vzorky lidí jak z vyspělých industrializovaných zemí tak i z tradičních lovecko-sběračských a nebo zemědělských komunit. Cíle projektu (a zároveň potenciální témata publikací zahrnutých do doktorské práce) jsou následující:
1. Mezipopulační variabilita střevních bakteriofágů u volně žijících lidopopů. Cílem bude na základě dat z několika populací goril nížinných popsat mezipopulační variabilitu ve složení společenstev střevních fágů, identifikovat konkrétní bakteriofágy, jejichž evoluce je korelovaná s fylogenezí (super)hostitele a pokusit se nakalibrovat rychlost jejich evoluce.
2. Vnitropopulační variabilita střevních bakteriofágů u lidooopů: Na základě dat z habituované populace gorily nížinné, u které jsou k dispozici detailní metadata ke studovaným jedincům, se bude analyzovat vliv věku, pohlaví a sezonních změn na složení a diversitu střevních bakteriofágů.
3. Vliv zajetí na společenstva střevních bakteriofágů u lidoopů: V zajetí dochází u lidoopů k obohacení společenstva střevních bakterií o druhy typické pro člověka a zároveň k extinkci druhů vyskytujících se ve volně žijících populacích. Tato tzv. humanizace střevní mikrobioty může mít nežádoucí vliv na zdravotní stav jedince a výzkum tohoto tématu je tudíž žádoucí s hlediska well-fare. Cílem této části bude zjistit do jaké míry změny ve společenstva střevních bakterií predikují změny ve složení střevních fágů (mimo jiné ve smyslu složení společenstva, jeho hostitelské specificity a zastoupení druhů s lytickým a lyzogenním životním cyklem).
4. Změny společenstva střevních bakteriofágů u lidských populací. V lidských populacích z industrializovaných částí světa dochází k významným změnám ve složení střevní mikrobioty, které mohou souviset s rozvojem některých civilizačních chorob. Na roli bakterofágů, o kterých se v tomto ohledu se ví jen velmi málo, bude zaměřena tato část projektu. Konkrétně se se zde bude pracovat s daty nasbíranými konzultantem (mimo jiné lovecko sběračské etnikum BaAka) v kombinaci s již publikovanými daty z jiných lovecko-sběračských etnik a industrializovaných společností.
Projekt se opírá o dlouhodobý výzkum konzultanta (Klára Petrželková, ÚBO AVČR) týkající se lidoopů a lidí s tradičním životním stylem, jehož součástí je rozsáhlý materiál vhodný k těmto analýzám včetně vzorků, které budou získány během běžícího projektu GAČR (24-11859S) a o zázemí poskytované školitelem, který se problematice střevní mikrobioty u volně žijících živočichů včetně studia střevních bakteriofágů dlouhodobě věnuje. Financování projektu, včetně prostředků na plat studenta, bude hrazené ze dvou v současné době běžících grantů: GAČR (24-11859S) a MŠMT (OP JAK Talking microbes—understanding microbial interactions within One Health framework, CZ.02.01.01/00/22_008/0004597).

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

The gut microbiota is a community of microorganisms that is an integral part of the vertebrate body dominated primarily by eubacteria. The gut microbiota fundamentally influences a wide range of biological functions of its host, such as immunity, digestion, the central nervous system or humoral regulation. Despite intensive research in recent years, which has focused on gut eubacteria, many factors determining the composition and function of the microbiota are poorly understood. One of these factors is the role of bacteriophages in regulating the gut bacterial community. Bacteriophages are dominant and relatively selective predators of bacteria. On the other hand, however, their integration into the bacterial genome may also confer benefits to their hosts in terms of expanding their functional repertoire. Until recently, research on intestinal bacteriophages and their interactions with host bacteria has been limited to model animal species and human populations in developed industrialized countries. The lack of interest in this topic was to some extent due to the relatively small size of reference databases and the difficulty of analysing this type of data. However, most of these obstacles have been overcome in recent years. Existing bioinformatics tools allow prediction of bacteriophage contigs from standard metagenomic data and their subsequent taxonomic and functional classification (e.g., life cycle prediction, bacterial host). Within the project, the student will bioinformatically and statistically analyze existing or newly generated sequencing data including whole-metagenome data with high read depth (ca. 40 Gb/sample) and data specifically enriched for bacteriophage genomes. These data include samples from wild and captive great apes and human samples from both developed industrialized countries and traditional hunter-gatherer and/or agricultural communities. The objectives of the project (and potential topics for publications included in the PhD thesis) are as follows:
1. Inter-population variation of intestinal bacteriophages in wild great apes. The aim will be to use data from several populations of lowland gorillas to, among other things, describe interpopulation variation in gut phage composition, identify specific bacteriophages whose evolution is correlated with (super)host phylogeny, and attempt to calibrate their evolutionary rates.
2. Intra-population variation of intestinal bacteriophages in great apes: Using data from a habituated population of lowland gorillas for which detailed metadata are available for the individuals studied, the effect of age, sex social interaction status and seasonal variation on the composition and diversity of intestinal bacteriophages will be analysed.
3. The effect of captivity on the gut bacteriophage community in great apes: In captivity, the gut bacterial community of great apes is enriched with species typical of humans, while extinction of species found in wild populations occurs. This so-called humanization of the gut microbiota may have an adverse effect on the health of the individual and research on this topic is therefore desirable from a well-fare perspective. The aim of this section will be to investigate to what extent changes in the gut bacterial community predict changes in the composition of gut phages (in terms of community composition, host specificity and representation of species with lytic and lysogenic life cycles, among others).
4. Changes in the intestinal bacteriophage community in human populations. Human populations from industrialized parts of the world are experiencing significant changes in the composition of the gut microbiota that may be related to the development of some diseases of civilization. The role of bacteriophages, about which very little is known in this respect, will be the focus of this part of the project. Specifically, it will work with data collected by the consultant (among others, the BaAka hunter-gatherers) in combination with already published data from other hunter-gatherer societies and "westernized" societies.
The project is based on the long-term research of the consultant (Klára Petrželková, IVB CAS), which includes extensive material suitable for these analyses, and on the background provided by the supervisor, who has been studying the gut microbiota in wildlife for a long time, including the study of intestinal bacteriophages. The funding of the project, including the student's salary, will be covered by two currently running grants: the GAČR (24-11859S) and the Ministry of Education (OP JAK Talking microbes-understanding microbial interactions within One Health framework, CZ.02.01.01/00/22_008/0004597).