Nyt værktøj hjælper med at oversætte kompleks kommunikation mellem mikrober og kroppen

Et nyt værktøj udviklet af forskere ved Quadram Institute og Earlham Institute hjælper med at oversætte den komplekse kommunikation mellem mikrobiomet og kroppen. Værktøjet vil være værdifuldt for forskere, der forsøger at forstå, hvordan mikrober påvirker sundhed, de ændringer, der fører til sygdom, og peger på potentielle lægemiddelmål.

Det menneskelige tarmmikrobiom har vigtige roller i at holde os sunde. Det er afgørende for at få næringsstoffer fra mad, og det bliver mere tydeligt, det spiller en rolle i forskellige kroniske, terminale og livsstilssygdomme. Ændringer i sammensætningen af ​​mikrobiomet har været forbundet med type 2 -diabetes, fedme og inflammatorisk tarmsygdom (IBD), men det er ikke klart, hvordan disse ændringer forårsager starten på forskellige tilstande, eller om de i stedet er et symptom.

For at begynde at fjerne mekanismerne, forskere har fokuseret på kommunikationen mellem mikrober og deres værtsorganismer, herunder mennesker. Mikrober frigiver en række forskellige metabolitter, proteiner og RNA -molekyler, der tillader dem at kommunikere med andre proteiner fra værtsorganismen. Dette kan fremkalde et svar fra værtsnetværket, hvilket resulterer i at tænde eller slukke værtsgener, der modulerer forskellige processer.

Oversættelse af disse kommunikationer mellem lande mellem mikrobielle og værtsproteiner er afgørende, hvis vi skal forstå de processer, der påvirker sundhed såvel som sygdom. Sådanne kommunikationsundersøgelser mellem lande er blevet udført for nogle bakterier, hovedsageligt patogene arter, der udløser specifikke sygdomstilstande. Men mikrobiomet kan indeholde tusinder af forskellige arter, alle potentielt kommunikerer med en række forskellige værtsproteiner, forbundet med mange forskellige signalveje og fysiologiske processer.

For at få styr på disse komplekse kommunikationer, Dr. Tamas Korcsmaros og Dr. Padhmanand Sudhakar fra Quadram Institute og Earlham Institute og kolleger udviklede en integreret beregningspipeline kaldet MicrobioLink. Udgivet i tidsskriftet Celler , MicrobioLink forbinder mikrobielle proteiner med værtsproteiner, de sandsynligvis vil interagere med, og derefter udlede, hvordan disse interaktioner påvirker cellulære processer i værten.

Forskere kan bruge Microbiolink til at teste et sæt proteiner, som f.eks. kan være proteiner udskilt af et helt mikrobielt samfund, mod en relevant liste over værtsproteiner fra eksperimentelle data eller eksisterende databaser. Rørledningen forudsiger derefter interaktioner mellem mikrobielle og værtsproteiner baseret på deres respektive molekylære træk, såsom domæner og motiver. Protein-protein-interaktioner repræsenterer potentielt interessante kommunikationskanaler mellem bakterier og vært.

Kraften i Microbiolink kommer i det næste trin, der bruger et princip, betegnes diffusion, i netværksvidenskab for at spore virkningerne af interaktionerne mellem mikrobielle og værtsproteiner på andre værtsprocesser længere nedstrøms. Dette bruger eksisterende databaser med validerede molekylære interaktioner til at følge signaler fra værtsproteiner (forudsagt at være bundet af og dermed modificeret af mikrobielle proteiner) til andre målgener eller proteiner i værten. Med passende filtrering, dette kan identificere centrale noder i netværk og specifikke gener eller proteiner i værten, der påvirkes af den oprindelige kommunikation mellem mikroberne og værten.

For at teste rørledningen, forskergruppen gennemførte et casestudie med et kompendium af bakterielle proteiner, der kun findes hos patienter med Crohns sygdom, og et andet sæt proteiner, der kun findes hos raske mennesker. De brugte MicrobioLink til at sammenligne, hvordan de forskellige sæt proteiner påvirkede autofagi, som er en vigtig cellulær proces, der vides at være dysreguleret i Crohns sygdom. Dette afslørede et netværk med klart adskilte signalveje eksklusivt for sygdommen og sunde sammenhænge og, ultimativt, påvirker ekspressionen af ​​autofagiske gener.

Disse fund skulle bekræftes eksperimentelt, men de peger mod en potentiel mekanisme, der forbinder mikrobiomet og Crohns sygdom. Casestudiet demonstrerer også potentialet for denne integrerede beregningsmæssige pipeline til at oversætte kommunikation mellem mikrober og vært, så vi kan begynde at forstå deres virkninger på kroppen, og deres konsekvenser for sundhed og sygdom.

Samt at studere mikrobiomets indflydelse på andre sygdomme, MicrobioLink kan også bruges til at fjerne de gavnlige virkninger på værten af ​​probiotiske bakterier eller bakteriesamfund, og ikke kun hos mennesker.

I bund og grund, vi leverer nu en metode til det videnskabelige samfund til bedre at forstå, hvordan kommensale eller probiotiske bakterier påvirker vores helbred. Det er et beregningsanalyseværktøj, så det første skridt mod at designe fokuserede eksperimentelle undersøgelser, men vi håber, at det allerede vil hjælpe kolleger med at udnytte den eksisterende rigdom af data fra forskellige patienter, og resultere i nye kliniske interventionsundersøgelser. "

Dr. Tamas Korcsmaros, Quadram Institute

"Da MicrobioLink er alsidig og agnostisk for organismerne, det vil have applikationer inden for husdyrsundhed, såvel som i analyse af, hvordan jordens mikrobiom påvirker plantesundheden. " - Padhmanand Sudhakar tilføjede.

Mere med det samme, teamet søger at anvende MicrobioLink til at forstå virkningerne af SARS-CoV-2-virussen bag COVID-19-pandemien.

• Miljøkemikalier forbundet med ændringer i tarmmikrobiomet og sundhed
• Diagnose og behandling af ikke -alkoholisk fedtsygdom