Сотни различных видов бактерий живут в кишечнике человека, помогая нам переваривать пищу. Метаболические процессы этих бактерий не только чрезвычайно важны для нашего здоровья, но и чрезвычайно сложны. Исследовательская группа из Люксембургского центра системной биомедицины (LCSB) Люксембургского университета сделала важный шаг в моделировании сложности бактериальных сообществ кишечника человека - микробиома - на компьютере. Исследователи собрали все известные данные о метаболизме 773 бактериальных штаммов - больше, чем когда-либо прежде. На основе этих данных они разработали компьютерную модель для каждого бактериального штамма. Эту коллекцию, известную как AGORA, теперь можно использовать на компьютере для моделирования метаболических процессов, происходящих в микробах, и для изучения того, как они влияют на метаболизм других микробов и человека-хозяина. Команда LCSB публикует свои результаты в научном журнале Nature Biotechnology.
Бактерии, живущие в кишечнике человека, не только помогают нам переваривать пищу, но также производят ценные для нас витамины и даже влияют на то, как мы усваиваем лекарства. Метаболические процессы этих бактерий имеют решающее значение для нашего здоровья и очень сложны: бактерии находятся в постоянном контакте с клетками нашего кишечника, и различные организмы постоянно влияют друг на друга. Таким образом, они играют столь же важную роль в нашем здоровье, как и при многих заболеваниях. Несмотря на многие достижения науки, наши знания об этих микробах все еще ограничены. Чтобы улучшить наше понимание и помочь новым открытиям, исследовательская группа под руководством ученого LCSB проф. Доктор Инес Тиле, глава группы «Физиология молекулярных систем», создала наиболее полную коллекцию вычислительных моделей для 773 различных кишечных микробов, фиксирующих их индивидуальный метаболизм, под названием AGORA. «АГОРА основана на новой концепции сравнительной реконструкции моделей бактериального метаболизма, - говорит Инес Тиле. - Она позволяет анализировать гораздо большее количество бактериальных штаммов, чем когда-либо прежде. мы можем систематически изучать метаболические взаимодействия в микробиоме кишечника и то, как на эти взаимодействия влияют внешние факторы, включая диету и метаболизм хозяина».
Первый автор исследования, Стефания Магнусдоттир, в настоящее время получает степень доктора философии в группе Инес Тиле в LCSB: «Основой для нашей статьи послужило тщательное исследование литературы по микробному метаболизму», - объясняет она. «Мы собрали известные экспериментальные и геномные данные о метаболизме 773 бактериальных штаммов, чтобы уточнить и проверить вычислительные модели. Основываясь на этом, мы охарактеризовали метаболизм каждого микроба и обнаружили, что как их метаболические возможности, так и наша диета играют важную роль в том, как микробы взаимодействуют друг с другом. Мы можем создавать персонализированные модели микробиома, объединяя эти вычислительные модели с метагеномными данными, которые можно получить путем секвенирования микробов, присутствующих в образцах стула здоровых и больных людей».
«С помощью наших моделей мы можем целенаправленно искать метаболические пути, которые принципиально важны для микробиома в кишечнике, и мы можем выяснить, что может вызвать заболевания, когда эти метаболические процессы идут неправильно», говорит соавтор доктор Ронан Флеминг, который возглавляет группу системной биохимии в LCSB: «Модели AGORA теперь позволят нам изучать влияние взаимодействия хозяина и микробиома при определенных заболеваниях или использовать их в новой области персонализированной медицины.."
Использование AGORA для изучения микробиома кишечника предполагает тесное сотрудничество с исследователями, изучающими микробиом кишечника в лаборатории, в том числе с проф. Доктор Пол Уилмес, руководитель группы биологии экосистем LCSB. Его группа разработала методы изучения кишечных бактерий в реальных условиях. «АГОРА направляет нас к целенаправленным бактериальным метаболическим процессам для проведения целенаправленных экспериментов, что позволяет точно и всесторонне моделировать процессы внутри кишечных микробов», - утверждает Пол Уилмс..
Для Инес Тиле высокая степень точности не является самоцелью: «Мы хотим понять, как микробы модулируют метаболизм человека, когда мы изменяем наш рацион. Это может дать нам подсказки относительно того, как мы можем предотвратить, или даже лечить болезни, например, путем определения пищевых добавок, которые могут изменить взаимодействие внутри больного кишечного микробиома, чтобы имитировать метаболические функции здорового».
Проект AGORA получил поддержку от программ финансирования ATTRACT, CORE, Proof-of-Concept и AFR Люксембургского национального исследовательского фонда (FNR), а также от программы Advanced Computing Министерства энергетики США, Управления Передовые научные компьютерные исследования, биологические и экологические исследования.
Коллекция прогностических метаболических моделей доступна исследователям через