Neuartiges Tool hilft bei der Übersetzung komplexer Kommunikation zwischen Mikroben und dem Körper

Ein neues Tool, das von Wissenschaftlern des Quadram Institute und des Earlham Institute entwickelt wurde, hilft dabei, die komplexe Kommunikation zwischen Mikrobiom und Körper zu übersetzen. Das Werkzeug wird für Forscher wertvoll sein, die versuchen zu verstehen, wie Mikroben die Gesundheit beeinflussen, die Veränderungen, die zu Krankheiten führen, und weisen auf potenzielle Angriffspunkte für Medikamente hin.

Das menschliche Darmmikrobiom spielt eine wichtige Rolle, um uns gesund zu erhalten. Es ist wichtig, um Nährstoffe aus der Nahrung zu erhalten, und es wird immer offensichtlicher, dass es bei verschiedenen chronischen, terminale und Lebensstilkrankheiten. Veränderungen in der Zusammensetzung des Mikrobioms wurden mit Typ-2-Diabetes in Verbindung gebracht, Fettleibigkeit und entzündliche Darmerkrankung (IBD), aber es ist nicht klar, wie diese Veränderungen den Beginn verschiedener Bedingungen verursachen, oder ob sie stattdessen ein Symptom sind.

Um mit dem Aufheben der Mechanismen zu beginnen, Forscher haben sich auf die Kommunikation zwischen Mikroben und ihren Wirtsorganismen konzentriert, einschließlich des Menschen. Mikroben setzen eine Vielzahl von Metaboliten frei, Proteine ​​und RNA-Moleküle, die es ihnen ermöglichen, mit anderen Proteinen des Wirtsorganismus zu kommunizieren. Dies kann eine Reaktion der Wirtsnetzwerke auslösen, was dazu führt, dass Wirtsgene ein- oder ausgeschaltet werden, die verschiedene Prozesse modulieren.

Die Übersetzung dieser grenzüberschreitenden Kommunikation zwischen mikrobiellen und Wirtsproteinen ist von entscheidender Bedeutung, wenn wir die Prozesse verstehen wollen, die sich sowohl auf Gesundheit als auch auf Krankheit auswirken. Solche Kommunikationsstudien zwischen den Königreichen wurden für einige Bakterien durchgeführt, hauptsächlich pathogene Arten, die bestimmte Krankheitszustände auslösen. Aber das Mikrobiom kann Tausende von verschiedenen Arten enthalten, alle kommunizieren potenziell mit einer Reihe verschiedener Wirtsproteine, mit vielen verschiedenen Signalwegen und physiologischen Prozessen verbunden.

Um diese komplexe Kommunikation in den Griff zu bekommen, Dr. Tamas Korcsmaros und Dr. Padhmanand Sudhakar vom Quadram Institute und dem Earlham Institute und Kollegen entwickelten eine integrierte Computerpipeline namens MicrobioLink. Veröffentlicht in der Zeitschrift Zellen , MicrobioLink verbindet mikrobielle Proteine ​​mit Wirtsproteinen, mit denen sie wahrscheinlich interagieren, und leitet daraus ab, wie diese Interaktionen zelluläre Prozesse im Wirt beeinflussen.

Forscher können mit Microbiolink eine Reihe von Proteinen testen, das können zum Beispiel die Proteine ​​sein, die von einer ganzen mikrobiellen Gemeinschaft sezerniert werden, gegen eine relevante Liste von Wirtsproteinen aus experimentellen Daten oder bestehenden Datenbanken. Die Pipeline sagt dann Wechselwirkungen zwischen mikrobiellen und Wirtsproteinen basierend auf ihren jeweiligen molekularen Merkmalen wie Domänen und Motiven voraus. Protein-Protein-Interaktionen stellen potenziell interessante Kommunikationskanäle zwischen Bakterien und Wirt dar.

Die Leistung von Microbiolink kommt im nächsten Schritt, der ein Prinzip verwendet, als Diffusion bezeichnet, in der Netzwerkwissenschaft, um die Auswirkungen der Wechselwirkungen zwischen den mikrobiellen und Wirtsproteinen auf andere weiter nachgelagerte Wirtsprozesse zu verfolgen. Dabei werden bestehende Datenbanken mit validierten molekularen Interaktionen verwendet, um Signale von Wirtsproteinen (von denen vorhergesagt wird, dass sie von mikrobiellen Proteinen gebunden und daher modifiziert werden) bis hin zu anderen Zielgenen oder Proteinen im Wirt zu verfolgen. Bei entsprechender Filterung Dadurch können Schlüsselknoten in Netzwerken und spezifische Gene oder Proteine ​​im Wirt identifiziert werden, die von der ursprünglichen Kommunikation zwischen den Mikroben und dem Wirt betroffen sind.

Um die Pipeline zu testen, das Forschungsteam führte eine Fallstudie mit einem Kompendium bakterieller Proteine ​​durch, die nur bei Patienten mit Morbus Crohn gefunden wurden, und eine andere Reihe von Proteinen, die nur bei gesunden Menschen vorkommen. Sie verwendeten MicrobioLink, um zu vergleichen, wie die verschiedenen Proteingruppen die Autophagie beeinflussten. Dies ist ein wichtiger zellulärer Prozess, von dem bekannt ist, dass er bei Morbus Crohn fehlreguliert ist. Dabei zeigte sich ein Netzwerk mit klar getrennten Signalwegen exklusiv für die Krankheit und gesunde Kontexte und letzten Endes, Beeinflussung der Expression von Autophagie-Genen.

Diese Ergebnisse müssten experimentell bestätigt werden, weisen aber auf einen möglichen Mechanismus hin, der das Mikrobiom und Morbus Crohn in Verbindung bringt. Die Fallstudie zeigt auch das Potenzial dieser integrierten Rechenpipeline, die Kommunikation zwischen Mikroben und Wirt zu übersetzen, damit wir beginnen können, ihre Auswirkungen auf den Körper zu verstehen. und ihre Auswirkungen auf Gesundheit und Krankheit.

Neben der Untersuchung des Einflusses des Mikrobioms auf andere Krankheiten, MicrobioLink könnte auch verwendet werden, um die positiven Auswirkungen auf den Wirt probiotischer Bakterien oder Bakteriengemeinschaften aufzudecken. und nicht nur beim Menschen.

Grundsätzlich, Wir bieten der wissenschaftlichen Gemeinschaft nun eine Methode, um besser zu verstehen, wie kommensale oder probiotische Bakterien unsere Gesundheit beeinflussen. Es ist ein computergestütztes Analysewerkzeug, Dies ist der erste Schritt zum Design fokussierter experimenteller Studien, aber wir hoffen, dass dies den Kollegen bereits hilft, die vorhandene Fülle an Daten von verschiedenen Patienten zu nutzen, und zu neuen klinischen Interventionsstudien führen."

Dr. Tamas Korcsmaros, Quadram-Institut

"Da MicrobioLink vielseitig und den Organismen gegenüber agnostisch ist, es wird Anwendungen in der Tiergesundheit haben, sowie bei der Analyse, wie sich das Bodenmikrobiom auf die Pflanzengesundheit auswirkt." - Padhmanand Sudhakar fügte hinzu.

Sofort mehr, Das Team möchte MicrobioLink anwenden, um die Auswirkungen des SARS-CoV-2-Virus hinter der COVID-19-Pandemie zu verstehen.

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