Novo orodje pomaga prevesti zapleteno komunikacijo med mikrobi in telesom

Novo orodje, ki so ga razvili znanstveniki z inštituta Quadram in Earlham Institute, pomaga pri prevajanju zapletene komunikacije med mikrobiomom in telesom. Orodje bo dragoceno za raziskovalce, ki poskušajo razumeti, kako mikrobi vplivajo na zdravje, spremembe, ki vodijo do bolezni, in opozarjajo na možne cilje na področju drog.

Človeški črevesni mikrobiom ima pomembno vlogo pri ohranjanju našega zdravja. Bistvenega pomena za pridobivanje hranil iz hrane, in postaja vse bolj očitno, da igra vlogo pri različnih kroničnih, terminalne bolezni in bolezni življenjskega sloga. Spremembe v sestavi mikrobioma so povezane s sladkorno boleznijo tipa 2, debelost in vnetna črevesna bolezen (KVČB), vendar ni jasno, kako te spremembe povzročajo nastanek različnih pogojev, ali pa so namesto tega simptom.

Za začetek izbiranja mehanizmov, raziskovalci se osredotočajo na komunikacijo med mikrobi in gostiteljskimi organizmi, vključno z ljudmi. Mikrobi sproščajo različne presnovke, beljakovine in molekule RNA, ki jim omogočajo komunikacijo z drugimi proteini iz organizma gostitelja. To lahko povzroči odziv gostiteljskih omrežij, kar povzroči vklop ali izklop gostiteljskih genov, ki modulirajo različne procese.

Prevajanje teh medkrajevnih komunikacij med mikrobnimi in gostiteljskimi beljakovinami je ključnega pomena, če želimo razumeti procese, ki vplivajo na zdravje in na bolezen. Takšne študije komuniciranja med kraljestvi so bile opravljene za nekatere bakterije, predvsem patogene vrste, ki sprožijo specifična obolenja. Toda mikrobiom lahko vsebuje na tisoče različnih vrst, vsi potencialno komunicirajo z nizom različnih gostiteljskih beljakovin, povezana z mnogimi različnimi signalnimi potmi in fiziološkimi procesi.

Če želite razumeti te zapletene komunikacije, Tamas Korcsmaros in dr. Padhmanand Sudhakar iz Inštituta Quadram in Earlhamovega inštituta ter sodelavci so razvili integriran računalniški cevovod z imenom MicrobioLink. Objavljeno v reviji Celice , MicrobioLink povezuje mikrobne beljakovine z gostiteljskimi beljakovinami, s katerimi bodo verjetno medsebojno delovali, in nato sklepa, kako te interakcije vplivajo na celične procese v gostitelju.

Raziskovalci lahko uporabljajo Microbiolink za testiranje nabora beljakovin, ki so na primer lahko beljakovine, ki jih izloča celotna mikrobna skupnost, proti ustreznemu seznamu gostiteljskih beljakovin iz eksperimentalnih podatkov ali obstoječih baz podatkov. Cevovod nato napoveduje interakcije med mikrobnimi in gostiteljskimi beljakovinami na podlagi njihovih molekularnih značilnosti, kot so domene in motivi. Beljakovinsko-beljakovinske interakcije predstavljajo potencialno zanimive komunikacijske kanale med bakterijami in gostiteljem.

Moč Microbiolinka je v naslednjem koraku, ki uporablja načelo, imenovana difuzija, v omrežni znanosti za sledenje učinkom interakcij med mikrobnimi in gostiteljskimi beljakovinami na druge gostiteljske procese, ki se nahajajo navzdol. Ta uporablja obstoječe baze podatkov o potrjenih molekularnih interakcijah za sledenje signalom iz gostiteljskih beljakovin (za katere je predvideno, da jih vežejo in zato spreminjajo mikrobne beljakovine) do drugih ciljnih genov ali beljakovin v gostitelju. Z ustreznim filtriranjem, to lahko identificira ključna vozlišča v omrežjih in posebne gene ali proteine ​​v gostitelju, na katere vpliva prvotna komunikacija med mikrobi in gostiteljem.

Če želite preizkusiti cevovod, raziskovalna skupina je izvedla študijo primera z uporabo zbirke bakterijskih beljakovin, ki jih najdemo le pri bolnikih s Crohnovo boleznijo, in še en niz beljakovin, ki jih najdemo le pri zdravih ljudeh. Uporabili so MicrobioLink za primerjavo, kako različni kompleti beljakovin vplivajo na avtofagijo, ki je pomemben celični proces, za katerega je znano, da pri Crohnovi bolezni ni reguliran. To je razkrilo mrežo z jasno ločenimi signalnimi potmi, izključno za bolezen in zdravo okolje, in končno, vplivajo na izražanje genov avtofagije.

Te ugotovitve bi bilo treba eksperimentalno potrditi, vendar kažejo na možen mehanizem, ki povezuje mikrobiom in Crohnovo bolezen. Študija primera prav tako dokazuje potencial tega integriranega računalniškega protokola za prevajanje komunikacij med mikrobi in gostiteljem, tako da lahko začnemo razumeti njihove učinke na telo, in njihove posledice za zdravje in bolezni.

Poleg proučevanja vpliva mikrobioma na druge bolezni, MicrobioLink bi lahko uporabili tudi za odkrivanje ugodnih učinkov na gostitelja probiotičnih bakterij ali bakterijske skupnosti, in ne samo pri ljudeh.

V bistvu, znanstveni skupnosti zdaj ponujamo metodo za boljše razumevanje, kako komenzalne ali probiotične bakterije vplivajo na naše zdravje. Je orodje za računalniško analizo, torej prvi korak k oblikovanju usmerjenih eksperimentalnih študij, vendar upamo, da bo že pomagal kolegom, da izkoristijo obstoječe bogastvo podatkov različnih bolnikov, in rezultat novih študij klinične intervencije. "

Dr. Tamas Korcsmaros, Inštitut Quadram

"Ker je MicrobioLink vsestranski in agnostičen za organizme, imela bo uporabo pri zdravju živine, pa tudi pri analizi vpliva mikrobioma tal na zdravje rastlin. " - je dodal Padhmanand Sudhakar.

Bolj takoj, ekipa si prizadeva uporabiti MicrobioLink za razumevanje učinkov virusa SARS-CoV-2 v ozadju pandemije COVID-19.

• Okoljske kemikalije, povezane s spremembami črevesnega mikrobioma in zdravja
• Diagnoza in zdravljenje brezalkoholne maščobne bolezni jeter