Nytt verktyg hjälper till att översätta komplex kommunikation mellan mikrober och kroppen

Ett nytt verktyg som utvecklats av forskare vid Quadram Institute och Earlham Institute hjälper till att översätta den komplexa kommunikationen mellan mikrobiomet och kroppen. Verktyget kommer att vara värdefullt för forskare som försöker förstå hur mikrober påverkar hälsan, de förändringar som leder till sjukdom, och pekar på potentiella läkemedelsmål.

Människans tarmmikrobiom har viktiga roller för att hålla oss friska. Det är viktigt för att få näringsämnen från mat, och det blir mer uppenbart att det spelar en roll vid olika kroniska, terminala och livsstilssjukdomar. Förändringar i mikrobiomens sammansättning har associerats med typ 2 -diabetes, fetma och inflammatorisk tarmsjukdom (IBD), men det är inte klart hur dessa förändringar orsakar uppkomsten av olika tillstånd, eller om de istället är ett symptom.

För att börja plocka ur mekanismerna, forskare har fokuserat på kommunikationen mellan mikrober och deras värdorganismer, inklusive människor. Mikrober frigör en mängd olika metaboliter, proteiner och RNA -molekyler som gör att de kan kommunicera med andra proteiner från värdorganismen. Detta kan framkalla ett svar från värdnätverken vilket resulterar i att man slår på eller av värdgener som modulerar olika processer.

Att översätta dessa gränsöverskridande kommunikationer mellan mikrobiella och värdproteiner är avgörande för att vi ska förstå processerna som påverkar hälsa såväl som sjukdomar. Sådana kommunikationsstudier mellan riken har gjorts för vissa bakterier, främst patogena arter som utlöser specifika sjukdomstillstånd. Men mikrobiomet kan innehålla tusentals olika arter, alla potentiellt kommunicerar med en rad olika värdproteiner, kopplad till många olika signalvägar och fysiologiska processer.

För att ta hand om dessa komplexa kommunikationer, Dr Tamas Korcsmaros och Dr Padhmanand Sudhakar från Quadram Institute och Earlham Institute och kollegor utvecklade en integrerad beräkningspipeline som heter MicrobioLink. Publicerad i tidskriften Celler , MicrobioLink förbinder mikrobiella proteiner med värdproteiner som de sannolikt kommer att interagera med, och kommer sedan fram till hur dessa interaktioner påverkar cellulära processer i värden.

Forskare kan använda Microbiolink för att testa en uppsättning proteiner, som till exempel kan vara proteinerna som utsöndras av ett helt mikrobiellt samhälle, mot en relevant lista över värdproteiner från experimentella data eller befintliga databaser. Rörledningen förutspår sedan interaktioner mellan mikrobiella och värdproteiner baserat på deras respektive molekylära egenskaper, såsom domäner och motiv. Protein-protein-interaktioner representerar potentiellt intressanta kommunikationskanaler mellan bakterier och värd.

Kraften i Microbiolink kommer i nästa steg som använder en princip, kallad diffusion, inom nätverksvetenskap för att spåra effekterna av interaktionerna mellan mikrobiella och värdproteiner på andra värdprocesser längre nedströms. Detta använder befintliga databaser med validerade molekylära interaktioner för att följa signaler från värdproteiner (förutsägs vara bundna av och därmed modifierade av mikrobiella proteiner) till andra målgener eller proteiner i värden. Med lämplig filtrering, detta kan identifiera nyckelnoder i nätverk och specifika gener eller proteiner i värden som påverkas av den ursprungliga kommunikationen mellan mikroberna och värden.

För att testa rörledningen, forskargruppen genomförde en fallstudie med ett kompendium av bakteriella proteiner som endast finns hos patienter med Crohns sjukdom, och en annan uppsättning proteiner som bara finns hos friska människor. De använde MicrobioLink för att jämföra hur de olika uppsättningarna proteiner påverkade autofagi, vilket är en viktig cellulär process som är känd för att vara dysreglerad vid Crohns sjukdom. Detta avslöjade ett nätverk med tydligt separerade signalvägar exklusiva för sjukdomen och friska sammanhang och, i sista hand, påverkar uttrycket av autofaggener.

Dessa fynd skulle behöva bekräftas experimentellt men de pekar mot en potentiell mekanism som kopplar ihop mikrobiomet och Crohns sjukdom. Fallstudien visar också potentialen för denna integrerade beräkningspipeline att översätta kommunikation mellan mikrober och värd så att vi kan börja förstå deras effekter på kroppen, och deras konsekvenser för hälsa och sjukdomar.

Förutom att studera mikrobiomets inflytande på andra sjukdomar, MicrobioLink kan också användas för att avlägsna de fördelaktiga effekterna på värden av probiotiska bakterier eller bakteriesamhällen, och inte bara hos människor.

I grund och botten, vi tillhandahåller nu en metod för det vetenskapliga samfundet för att bättre förstå hur kommensala eller probiotiska bakterier påverkar vår hälsa. Det är ett beräkningsanalysverktyg, så det första steget mot att utforma fokuserade experimentella studier men vi hoppas att det redan kommer att hjälpa kollegor att utnyttja den befintliga mängden data från olika patienter, och resultera i nya kliniska interventionsstudier. "

Dr Tamas Korcsmaros, Quadram Institute

"Eftersom MicrobioLink är mångsidig och agnostisk för organismerna, det kommer att ha applikationer inom djurhälsa, såväl som vid analys av hur markmikrobiomen påverkar växthälsan. " - tillade Padhmanand Sudhakar.

Mer omedelbart, teamet vill använda MicrobioLink för att förstå effekterna av SARS-CoV-2-viruset bakom COVID-19-pandemin.

• Miljökemikalier kopplade till förändringar i tarmmikrobiomet och hälsa
• Diagnos och behandling av alkoholfri fettleversjukdom