Nytt verktøy hjelper til med å oversette kompleks kommunikasjon mellom mikrober og kroppen

Et nytt verktøy utviklet av forskere ved Quadram Institute og Earlham Institute hjelper til med å oversette den komplekse kommunikasjonen mellom mikrobiomet og kroppen. Verktøyet vil være verdifullt for forskere som prøver å forstå hvordan mikrober påvirker helse, endringene som fører til sykdom, og peker på potensielle legemiddelmål.

Det menneskelige tarmmikrobiomet har viktige roller for å holde oss sunne. Det er viktig for å få næringsstoffer fra mat, og det blir mer tydelig at det spiller en rolle i forskjellige kroniske, terminale og livsstilssykdommer. Endringer i sammensetningen av mikrobiomet har vært assosiert med type 2 diabetes, fedme og inflammatorisk tarmsykdom (IBD), men det er ikke klart hvordan disse endringene forårsaker utbruddet av forskjellige forhold, eller om de i stedet er et symptom.

For å begynne å fjerne mekanismene, forskere har fokusert på kommunikasjonen mellom mikrober og deres vertsorganismer, inkludert mennesker. Mikrober frigjør en rekke metabolitter, proteiner og RNA -molekyler som lar dem kommunisere med andre proteiner fra vertsorganismen. Dette kan fremkalle en respons fra vertsnettverkene som resulterer i at du slår på eller av vertsgener som modulerer forskjellige prosesser.

Oversettelse av disse kommunikasjonene mellom lande mellom mikrobielle og vertsproteiner er avgjørende for å forstå prosessene som påvirker helse så vel som sykdom. Slike kommunikasjonsstudier mellom rikene har blitt gjort for noen bakterier, hovedsakelig patogene arter som utløser spesifikke sykdomstilstander. Men mikrobiomet kan inneholde tusenvis av forskjellige arter, alle potensielt kommuniserer med en rekke forskjellige vertsproteiner, knyttet til mange forskjellige signalveier og fysiologiske prosesser.

For å få tak i disse komplekse kommunikasjonene, Dr. Tamas Korcsmaros og Dr. Padhmanand Sudhakar fra Quadram Institute og Earlham Institute og kolleger utviklet en integrert beregningsledning kalt MicrobioLink. Publisert i tidsskriftet Celler , MicrobioLink forbinder mikrobielle proteiner med vertsproteiner de sannsynligvis vil samhandle med, og deretter utlede hvordan disse interaksjonene påvirker cellulære prosesser i verten.

Forskere kan bruke Microbiolink til å teste et sett med proteiner, som for eksempel kan være proteinene som utskilles av et helt mikrobielt samfunn, mot en relevant liste over vertsproteiner fra eksperimentelle data eller eksisterende databaser. Rørledningen forutsier deretter interaksjoner mellom mikrobielle og vertsproteiner basert på deres respektive molekylære trekk som domener og motiver. Protein-protein-interaksjoner representerer potensielt interessante kommunikasjonskanaler mellom bakterier og vert.

Kraften til Microbiolink kommer i neste trinn som bruker et prinsipp, kalt diffusjon, i nettverksvitenskap for å spore effekten av interaksjonene mellom mikrobielle og vertsproteiner på andre vertsprosesser lenger nedstrøms. Dette bruker eksisterende databaser med validerte molekylære interaksjoner for å følge signaler fra vertsproteiner (spådd å være bundet av og dermed modifisert av mikrobielle proteiner) til andre målgener eller proteiner i verten. Med passende filtrering, dette kan identifisere viktige noder i nettverk og spesifikke gener eller proteiner i verten som påvirkes av den opprinnelige kommunikasjonen mellom mikrober og verten.

For å teste rørledningen, forskerteamet gjennomførte en casestudie ved bruk av et kompendium av bakterielle proteiner som bare finnes hos pasienter med Crohns sykdom, og et annet sett med proteiner som bare finnes hos friske mennesker. De brukte MicrobioLink til å sammenligne hvordan de forskjellige settene med proteiner påvirket autofagi, som er en viktig mobil prosess som er kjent for å være dysregulert ved Crohns sykdom. Dette avslørte et nettverk med klart atskilte signalveier eksklusiv for sykdommen og sunne sammenhenger og, til syvende og sist, påvirke uttrykket av autofagiske gener.

Disse funnene må bekreftes eksperimentelt, men de peker mot en potensiell mekanisme som forbinder mikrobiomet og Crohns sykdom. Casestudien demonstrerer også potensialet for denne integrerte beregningsrørledningen til å oversette kommunikasjon mellom mikrober og vert, slik at vi kan begynne å forstå deres virkninger på kroppen, og deres konsekvenser for helse og sykdom.

I tillegg til å studere mikrobiomets innflytelse på andre sykdommer, MicrobioLink kan også brukes til å fjerne de gunstige effektene på mange probiotiske bakterier eller bakteriesamfunn, og ikke bare hos mennesker.

I utgangspunktet, vi tilbyr nå en metode for det vitenskapelige samfunn for bedre å forstå hvordan kommensale eller probiotiske bakterier påvirker helsen vår. Det er et beregningsanalyseverktøy, så det første skrittet mot å designe fokuserte eksperimentelle studier, men vi håper det allerede vil hjelpe kolleger til å utnytte den eksisterende mengden data fra forskjellige pasienter, og resultere i nye kliniske intervensjonsstudier. "

Dr. Tamas Korcsmaros, Quadram Institute

"Siden MicrobioLink er allsidig og agnostisk for organismer, den vil ha applikasjoner innen husdyrhelse, så vel som i analyse av hvordan jordmikrobiomet påvirker plantehelsen. " - Padhmanand Sudhakar la til.

Mer umiddelbart, teamet ønsker å bruke MicrobioLink for å forstå effekten av SARS-CoV-2-viruset bak COVID-19-pandemien.

• Miljøkjemikalier knyttet til endringer i tarmmikrobiomet og helse
• Diagnose og behandling av alkoholfri fettleversykdom