Для исследователей, изучающих возможную связь между здоровьем человека и триллионами микробов, населяющих наш желудочно-кишечный тракт, то, что делает работу настолько увлекательной, одновременно и сложной.
Несмотря на многолетние усилия, включая секвенирование кишечных микробов тысяч добровольцев, функции подавляющего большинства белков, обнаруженных в этом микробном сообществе, а именно 85 процентов, до сих пор остаются загадкой. Многие из этих белков, вероятно, являются ферментами, биологическими катализаторами, которые позволяют живым организмам выполнять химические реакции. Неохарактеризованные ферменты в микробиоме кишечника человека могут выполнять химические процессы, которые имеют решающее значение для нашего здоровья, но в настоящее время они неизвестны.
Надежда уже в пути.
Новый инструмент, разработанный Моррисом Каном, адъюнкт-профессором химии и химической биологии Эмили Бальскус в сотрудничестве с Кертисом Хаттенхауэром, адъюнкт-профессором вычислительной биологии и биоинформатики в Гарвардском университете имени Т. Х. Chan School of Public He alth, может помочь исследователям более точно идентифицировать ферменты, присутствующие в микробиомах, и количественно определить их относительное содержание. Исследование описано в статье, опубликованной 10 февраля в журнале Science.
«Это интересно, потому что с помощью нашего метода… в дополнение к идентификации известных микробных ферментов мы можем получить информацию о распределении и изобилии ферментов с неизвестной активностью», - сказал Бальскус.«Главная проблема, связанная с микробиомами, заключалась в том, как исследовать неопределенный генетический потенциал этих сообществ - как перейти от генов в микробиоме человека к новым микробным метаболическим действиям… и мы считаем, что это может быть инструментом для этого».
Это уже доказало свою полезность - вооружившись новой техникой, Бальскус и Хаттенхауэр смогли впервые оценить, насколько распространен нехарактерный фермент глицил-радикал в микробиоме кишечника здорового человека. Они также смогли выяснить, что на самом деле делает этот новый фермент.
Лаборатория Balskus изучает радикальные ферменты глицила, потому что они являются одним из самых распространенных семейств белков в микробиоме кишечника человека.
«Этот неохарактеризованный фермент был вторым наиболее распространенным ферментом глицил-радикала у каждого человека, секвенированного в рамках проекта Human Microbiome Project, и его универсальное распространение убедительно свидетельствует о том, что он делает что-то важное», - сказал Бальскус.«Оказывается, у него есть захватывающая функция. Он позволяет микробам метаболизировать аминокислоту под названием 4-гидроксипролин, которая является основным компонентом коллагена, самого распространенного белка в организме человека. Мы обнаружили, как микробы используют эту аминокислоту. расти в анаэробной среде человеческого кишечника."
Имея в виду эту информацию, добавил Бальскус, исследователи теперь могут перейти к изучению ряда дополнительных вопросов.
Теперь, когда мы понимаем, что эта активность очень распространена в этой микробной среде обитания, мы можем начать исследовать ряд новых идей о том, почему она может присутствовать и как она может влиять на человека-хозяина и других микробы, - сказала она.
Без такого инструмента, по словам Бальскуса, невероятно сложно обнаружить новую химию в кишечном микробиоме из-за сходства многих ферментов.
«Нас интересовала задача различения членов одного и того же семейства ферментов, активность которых отличается друг от друга», - сказала она.«Члены человеческого семейства могут быть близкородственными, но иметь очень разные занятия, и это также относится к семействам ферментов. Семейство ферментов может быть сходным с точки зрения их аминокислотных последовательностей, но отдельные члены семейства часто эволюционировали, чтобы совершать очень разные химические превращения».
Бальскус надеется, что новая техника позволит исследователям идентифицировать и охарактеризовать новые ферменты, чтобы лучше понять метаболические процессы микробных сообществ и их влияние на окружающие организмы и окружающую среду.
«Я надеюсь, что это будет важным вкладом и шагом к решению этой огромной проблемы нехарактерных белков в микробных сообществах», - сказала она. «Это проблема не только микробиома кишечника человека, но и любого микробного сообщества. И эти сообщества буквально повсюду на Земле!»
Двигаясь вперед, Бальскус считает, что этот метод может даже пролить новый свет на то, как микробиом кишечника человека влияет на здоровье человека.
«В будущем мы можем начать думать о таких вещах, как сравнительный анализ», - сказала она. «В этой статье мы рассмотрели данные только здоровых людей, но нам очень хотелось бы сравнить изобилие ферментов в микробиомах здоровых людей и пациентов, страдающих различными заболеваниями. Это могло бы дать нам представление о том, как метаболическая активность в кишечнике микробиом может меняться с болезнью. Если есть определенные ферменты, которых особенно много у пациентов с данным заболеванием, они могут быть потенциальными терапевтическими мишенями».