Un nuovo strumento aiuta a tradurre la comunicazione complessa tra i microbi e il corpo

Un nuovo strumento sviluppato dagli scienziati del Quadram Institute e dell'Earlham Institute sta aiutando a tradurre la complessa comunicazione tra il microbioma e il corpo. Lo strumento sarà prezioso per i ricercatori che cercano di capire come i microbi influenzano la salute, i cambiamenti che portano alla malattia, e indicare potenziali bersagli farmacologici.

Il microbioma intestinale umano ha ruoli importanti nel mantenerci sani. È vitale per ottenere nutrienti dal cibo, e sta diventando più evidente che gioca un ruolo in diverse croniche, malattie terminali e dello stile di vita. I cambiamenti nella composizione del microbioma sono stati associati al diabete di tipo 2, obesità e malattie infiammatorie intestinali (IBD), ma non è chiaro come questi cambiamenti causino l'insorgere di condizioni diverse, o se sono invece un sintomo.

Per iniziare a smontare i meccanismi, i ricercatori si sono concentrati sulla comunicazione tra i microbi e i loro organismi ospiti, compresi gli umani. I microbi rilasciano una varietà di metaboliti, proteine ​​e molecole di RNA che consentono loro di comunicare con altre proteine ​​dell'organismo ospite. Ciò può suscitare una risposta dalle reti host con conseguente attivazione o disattivazione di geni dell'ospite che modulano vari processi.

Tradurre queste comunicazioni tra regni tra microbi e proteine ​​ospiti è vitale se vogliamo comprendere i processi che influenzano la salute e la malattia. Tali studi di comunicazione tra regni sono stati condotti per alcuni batteri, specie principalmente patogene che innescano condizioni patologiche specifiche. Ma il microbioma può contenere migliaia di specie diverse, tutti potenzialmente comunicanti con una serie di diverse proteine ​​ospiti, legato a molte diverse vie di segnalazione e processi fisiologici.

Per gestire queste complesse comunicazioni, Il dottor Tamas Korcsmaros e il dottor Padhmanand Sudhakar del Quadram Institute e dell'Earlham Institute e colleghi hanno sviluppato una pipeline computazionale integrata chiamata MicrobioLink. Pubblicato sulla rivista cellule , MicrobioLink collega le proteine ​​microbiche con le proteine ​​ospiti con cui possono interagire, e quindi deduce come queste interazioni influenzano i processi cellulari nell'ospite.

I ricercatori possono utilizzare Microbiolink per testare una serie di proteine, che per esempio potrebbero essere le proteine ​​secrete da un'intera comunità microbica, rispetto a un elenco pertinente di proteine ​​ospiti da dati sperimentali o da banche dati esistenti. La pipeline prevede quindi le interazioni tra le proteine ​​microbiche e dell'ospite in base alle rispettive caratteristiche molecolari come domini e motivi. Le interazioni proteina-proteina rappresentano canali di comunicazione potenzialmente interessanti tra batteri e ospite.

Il potere di Microbiolink arriva nel passaggio successivo che utilizza un principio, denominata diffusione, nella scienza delle reti per tracciare gli effetti delle interazioni tra le proteine ​​microbiche e dell'ospite su altri processi dell'ospite più a valle. Questo utilizza database esistenti di interazioni molecolari convalidate per seguire i segnali dalle proteine ​​dell'ospite (che si prevede siano legate e quindi modificate dalle proteine ​​microbiche) fino ad altri geni o proteine ​​bersaglio nell'ospite. Con opportuni filtri, questo può identificare nodi chiave nelle reti e geni o proteine ​​specifici nell'ospite che sono influenzati dalla comunicazione originale tra i microbi e l'ospite.

Per testare la condotta, il team di ricerca ha effettuato un caso di studio utilizzando un compendio di proteine ​​batteriche presenti solo in pazienti con malattia di Crohn, e un altro insieme di proteine ​​che si trovano solo nelle persone sane. Hanno usato MicrobioLink per confrontare il modo in cui i diversi gruppi di proteine ​​hanno influenzato l'autofagia, che è un importante processo cellulare che è noto per essere disregolato nella malattia di Crohn. Ciò ha rivelato una rete con percorsi di segnalazione chiaramente separati esclusivi della malattia e dei contesti sani e, in definitiva, influenzando l'espressione dei geni dell'autofagia.

Questi risultati dovrebbero essere confermati sperimentalmente, ma indicano un potenziale meccanismo che collega il microbioma e il morbo di Crohn. Il caso di studio dimostra anche il potenziale di questa pipeline computazionale integrata per tradurre le comunicazioni tra microbi e ospite in modo da poter iniziare a capire i loro effetti sul corpo, e le loro implicazioni sulla salute e sulla malattia.

Oltre a studiare l'influenza del microbioma su altre malattie, MicrobioLink potrebbe essere utilizzato anche per deselezionare gli effetti benefici sull'ospite di batteri probiotici o comunità di batteri, e non solo negli esseri umani.

Fondamentalmente, ora stiamo fornendo un metodo per la comunità scientifica per capire meglio come i batteri commensali o probiotici stanno influenzando la nostra salute. È uno strumento di analisi computazionale, quindi il primo passo verso la progettazione di studi sperimentali mirati, ma speriamo che aiuti già i colleghi a sfruttare la ricchezza esistente di dati di vari pazienti, e portare a nuovi studi di intervento clinico."

Dott. Tamas Korcsmaros, Istituto Quadram

"Poiché MicrobioLink è versatile e agnostico per gli organismi, avrà applicazioni nella salute del bestiame, così come nell'analizzare come il microbioma del suolo influisce sulla salute delle piante." - Ha aggiunto Padhmanand Sudhakar.

Più immediatamente, il team sta cercando di applicare MicrobioLink per comprendere gli effetti del virus SARS-CoV-2 dietro la pandemia di COVID-19.

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