Mikrobioma pētniecības joma ir attīstījusies no mikrobioloģijas un kļuvusi par starpnozaru sfēru. Tā sevī iekļauj biotehnoloģijas, medicīnu, uzturzinātni, lauksaimniecību, matemātiku un daudzas citas zinātnes nozares. Mikrobiomu veido mikroorganismu kopa jeb mikrobiota, kurā ietilpst baktērijas, arheji, sēnes, aļģes, vienšūņi, vīrusi, fāgi, plazmīdas, prioni un virioni. Kopā ar mikroorganismu genoma un strukturālajiem elementiem un metabolītiem mikrobiota ir sastopama tām raksturīgā dzīvotnē, kurā mikroorganismi mijiedarbojas cits ar citu un ar vidi, kuru tie apdzīvo, un pilda šajā ekosistēmā specifiskas funkcijas. Mikrobiomu spēj ietekmēt dažādi faktori, piemēram, temperatūras izmaiņas, barības vielu pieejamība, saimniekorganisma fiziskās aktivitātes un daudzi citi, tādējādi tas pielāgojas, saglabājot stabilu ekosistēmu, vai mainās līdz ar jaunajiem apstākļiem. Literatūrā kā sinonīms mikrobiomam tiek lietots termins “mikrobiota”, kā arī vēsturiskais termins “mikroflora”, ko zinātniskajā literatūrā izmanto aizvien retāk, jo termins “flora” ir attiecināms uz augu valsti.

Mikrobioma pētniecība aizsākās jau 17. gs. līdz ar mikrobioloģijas pētījumu attīstības sākumu, kad Antonijs van Lēvenhuks (Antonie van Leeuwenhoek) 1670. gadā pirmo reizi atklāja mikroorganismus, izmantojot mikroskopu. Roberta Koha (Robert Koch) postulātu publicēšana 1884. gadā kļuva par standartu infekcijas slimību izraisītāja identificēšanā. Dažus gadus vēlāk Sergejs Vinogradskis (Сергей Николаевич Виноградский), kurš uzskatīja, ka baktērijas jāpēta ne tikai mākslīgi radītā tīrkultūrā, bet arī to dabiskajos apstākļos, radīja Vinogradska kolonnu – vienkāršu baktēriju kultivēšanas ierīci, kas uzskatāmā veidā ļāva novērot mikroorganismu savstarpējo mijiedarbību dažādos gaismas, skābekļa un barības vielu apstākļos. Tā pētniekiem sniedz plašāku ieskatu par mikroorganismu funkcijām un nozīmi kopējā ekosistēmā. 1928. gadā Aleksandrs Flemings (Alexander Fleming) līdz ar penicilīna atklāšanu aizsāka antibiotiku attīstību, taču 1944. gadā vairāki pētnieki atklāja, ka dezoksiribonukleīnskābe (DNS) glabā ģenētisko informāciju. Tas aizsāka strauju mikrobioma sfēras attīstību no klasiskajām metodēm – mikroskopijas un kultivēšanas barotnēs – līdz molekulārām metodēm, kas ar sekvencēšanas palīdzību ļāva iegūt daļēja vai pilna genoma informāciju par daudziem organismiem. Terminu “mikrobioms” 1988. gadā ieviesa Džons Vipss (John Whipps) kopā ar kolēģiem.

Līdztekus pētniecības metožu attīstībai ir notikusi arī līdzšinējo paradigmu maiņa. Pašos pirmsākumos pētnieki uzskatīja, ka mikroorganismi izraisa tikai slimības, taču mūsdienās uz mikroorganismiem raugās ar holistisku pieeju, kur mikrobioms un saimniekorganisms pozitīvi spēj ietekmēt viens otru, tādējādi veidojot kopīgu organismu – metaorganismu jeb holobiontu, kas abpusēji nodrošina šī vienotā organisma veselību.

Attīstoties sekvencēšanas tehnoloģiju iespējām, 21. gs. ir veikti vairāki plaša mēroga pētījumi, kas ļāvuši labāk saprast mikrobioma kompozīciju un tā funkcijas plašākās ekosistēmās. Zināmākie no tiem ir “Cilvēka mikrobioma projekts” (Human Microbiome project, 2007), “Zemes mikrobioma projekts” (Earth Microbiome Project, 2010), “Latvijas Mikrobioma projekts” (2020) un daudzi citi, kas veltīti specifiskākām mikrobioma nišām.

Mikrobiomu parasti definē pēc specifiskās dzīvotnes, kurā tas ir atrodams – gan dzīvās, gan nedzīvās dabas objektos un uz tiem. Tiek raksturotas gan veselas ekosistēmas, piemēram, augsnes vai jūras mikrobioms, gan ļoti specifiskas dzīvotnes, piemēram, zarnu mikrobioms lielajām pandām, kas pārtiek tikai no vienas specifiskas sugas – bambusa (lai gan šiem dzīvniekiem zarnu trakts ir līdzīgs plēsēju zarnu traktam), vai sliņķu kažoka mikrobioms, kurā sastopamas dažādas aļģu un sēņu sugas. Tās palīdz sliņķiem maskēties mežā un sadalīt organiskās vielas, kas ieķērušās apmatojumā. Tāpēc to, kādi mikroorganismi būs sastopami konkrētā dzīvotnē, nosaka dažādi dzīvās un nedzīvās vides faktori. Arī cilvēkam ir savs mikrobioms, ko parasti mēdz iedalīt vairākās apakšgrupās pēc to anatomiskās zonas (ādas, elpceļu, maksts), un gremošanas trakta mikrobioms, ko mēdz iedalīt vēl sīkāk, piemēram, mutes un zarnu mikrobiomā. Tāpat mikrobiomu mēdz iedalīt pēc funkcijām, piemēram, īso ķēžu taukskābju veidojošās baktērijas, kas fermentē šķiedrvielas, vai pēc to saistības ar dažādām saimniekorganisma slimībām. Vēl cits veids – pēc taksonomijas jeb mikroorganismu grupām. Visvairāk pētījumu ir veltīti tieši dažādu dzīvotņu baktēriju sastāva izpētei un to ietekmei uz saimniekorganismu, tomēr arī citas mikroorganismu grupas, kas ir sastopamas mikrobiomā, piemēram, sēņu (mikobioms), vīrusu (viroms) un arheju mikrobiota (arheoms), veic būtiskas funkcijas, taču par šīm mikrobioma grupām pētījumu ir krietni mazāk.

Lai noteiktu paraugā esošo mikroorganismu sastāvu, pētījumi vēsturiski tika balstīti uz klasiskajām metodēm. Tomēr ļoti daudziem mikroorganismiem nav zināmi vispiemērotākie kultivēšanas apstākļi, tāpēc nav iespējams noteikt visus paraugā esošos mikroorganismus. Lai saprastu mikrobioma un saimniekorganisma savstarpējo mijiedarbību un slimību patoģenēzi, izmanto dažādas modeļsistēmas, piemēram, orgānu replikas uz čipa vai dzīvnieku modeļus. Savukārt molekulārās metodes izvēlas pēc pētāmā parauga veida un mērķa. Piemēram, ar metagenoma sekvencēšanas metodi paraugā var noteikt visus esošos mikroorganismus un to funkcijas, savukārt ar marķiergēnu amplikonu metodēm var noteikt atsevišķu mikroorganismu grupu klātbūtni. Piemēram, baktērijas un arhejus var noteikt ar 16S rRNS gēna sekvencēšanu (ļoti konservatīvu gēnu, kas veic ribosomu mazās subvienības kodēšanu) vai atsevišķiem tā reģioniem, ar 18S rRNS gēnu – eikariotus, bet ar ITS (internal transcribed spacer) – sēnes. Viens no molekulāro metožu trūkumiem ir liels iegūto datu apjoms, tāpēc to apstrādei ir nepieciešamas zināšanas bioinformātikā.

Tiek uzskatīts, ka katra jaunā cilvēka mikrobioma veidošanās sākas līdz ar piedzimšanas brīdi, tādējādi ļoti liela nozīme ir tieši pirmo dzīves gadu laikā iegūtajam mikrobiomam, kas tālākajā dzīvē var atstāt būtisku nozīmi uz indivīda veselību. Dabiskās dzemdībās dzimušam mazulim uz ķermeņa un elpceļos galvenokārt dominēs mātes dzemdību ceļu un zarnu mikrobioms, savukārt ar ķeizargriezienu dzimušam mazulim pirmais mikrobioms veidosies no mātes ādas un apkārtējās vides. Zīdīšanas veids ir nākamais būtiskais faktors – zarnu mikrobioms atšķiras ar krūti barotiem mazuļiem salīdzinājumā ar tiem, kas baroti ar piena maisījumiem. Arī vēl pirms piedzimšanas mātes mikrobioms netieši ietekmē mazuli ar dažādiem viņas mikrobioma izdalītiem metabolītiem, kas jaunā cilvēka veselību var ietekmēt gan īstermiņā, gan ilgtermiņā. Šo primāro mikrobioma veidošanās procesu dēvē par vertikālo mikrobioma pārnesi. Mazuļa mikrobioms turpina veidoties no mikroorganismiem apkārtējā vidē, no uztura; to ietekmē antibiotiku lietošana, saslimšanas, mājdzīvnieki, tīrības pakāpe ikdienas vidē, arī ģenētika, fizisko aktivitāšu esamība, stress, ģeogrāfiskā atrašanās vieta, dzīvošana pilsētvidē vai laukos un daudzi citi faktori. Šo procesu dēvē par horizontālo mikrobioma pārnesi. Visaktīvāk mikrobioma veidošanās notiek tieši pirmajos 3–6 dzīves gados, vēlāk tas kļūst relatīvi stabils un līdzīgs pieauguša cilvēka mikrobiomam.

Baktēriju cilvēka organismā ir aptuveni tikpat daudz, cik cilvēka šūnu, turklāt to gēnu skaits krietni pārsniedz cilvēka proteīnus kodējošo gēnu skaitu, tādējādi veidojot katram indivīdam unikālu mikrobioma kompozīciju. To dēvē arī par “otro genomu” vai “otro pirkstu nospiedumu”. Ar “zarnu-smadzeņu ass” palīdzību zarnu mikrobioms spēj ietekmēt pat saimniekorganisma noskaņojumu un uzvedību. Mikrobioms veic ļoti būtisku lomu cilvēka veselības nodrošināšanā, sevišķi zarnu mikrobioms, un tiek uzskatīts, ka zarnu mikrobioms pilda endokrīnā orgāna funkciju, ietekmējot saimniekorganisma fizioloģiju un metabolismu. Normālos apstākļos baktērijas, kas apdzīvo organismu, tiek uzskatītas par komensālām jeb labvēlīgām vai neitrālām. Tomēr, mainoties kādam nozīmīgam faktoram, atsevišķas baktērijas var kļūt patogēnas, radot konkrētās dzīvotnes disbalansu jeb disbiozi un izraisot saslimšanu. Mikrobiomu var izmantot arī slimību ārstēšanā – smagas Clostridium difficile baktēriju izraisītas diarejas gadījumā šobrīd par efektīvu terapiju atzīta fēču mikrobiotas transplantācija. Savukārt pēc antibiotiku terapijas bieži tiek rekomendēts uzņemt papildu probiotikas jeb labvēlīgās baktērijas, kas palīdz ātrāk atjaunot zarnu aizsargbarjeru, kā arī prebiotikas, kas ir barība baktērijām, vai sinbiotikas – probiotiku un prebiotiku kombināciju. Visvienkāršākais veids, kā var palīdzēt savam zarnu mikrobiomam, ir uzņemt uzturā tādus produktus kā kefīru, skābētus kāpostus vai svaigas ogas.