РЕЗЮМЕ

Човешкият стомашно-чревен тракт съдържа разнообразна, силно мутуалистична микробна флора, която може да произведе безброй специализирани метаболити. Тези специализирани метаболити са химичните клетъчни телефони, които чревната микрофлора използва, за да комуникира със своя човешки гостоприемник и потенциално може да се използва за лечение на заболявания. Химичните съединения в диетата също оформят чревната флора. За да се разбере кой и как специализираните метаболити, получени от чревни микроби, влияят върху човешкото здраве, така се предлага „оста на чревния микробиом-метаболомично-човешко здраве“. В нашата лаборатория е приложена стратегия, съчетаваща геномни, химични и фенотипични анализи за добиване на съкровищата от биоактивни молекули, намиращи се в червата и изпражненията ни. Вярваме, че авангардната метаболомика ще свърже микробиологията и човешкото здраве.

диетата

mSystems® об. 3, бр. 2, е специален брой, спонсориран от Института за микробиоми на човека Janssen (JHMI).

ПЕРСПЕКТИВА

Човешкият стомашно-чревен тракт съдържа разнообразна, силно мутуалистична микробна флора, която заедно се нарича чревен микробиом. Изчислено е, че около 0,2 кг от човешкото телесно тегло се състои от тези обитатели на червата (1). Генетичното разнообразие на чревния микробиом е още по-изумително. Метагеномното секвениране на фекални проби е идентифицирало 3,3 × 106 нередуцирани микробни гени от до 1150 различни вида, надхвърляйки броя на гените, кодиращи човешки протеин, с около 150 пъти. В допълнение, всеки човек се оценява като домакин на най-малко 160 различни вида (2).

Изследването на микробиома се превърна в процъфтяващ клон в биологичните науки. През 2007 г. само 14 безвъзмездни средства от NIH съдържаха думата „микробиом“ в своите заглавия или резюмета, а броят им нарасна до 1043 през 2017 г. (http://grantome.com/search?q=microbiome). Това подчертава колко академично внимание и обществен интерес са насочени към ролите на микроорганизмите в нашите чревни пътища, но много малко от знанията са за това как получените от чревни микроби специализирани метаболити влияят върху човешкото здраве. Това е изненадващо, защото естествените микробни продукти са богат източник на нови лекарства през последните десетилетия. За да се получи по-проникновено разбиране за взаимодействията между гостоприемника и микробите, е необходимо изместване на фокуса на парадигмата от промените в геномиката на чревната флора към разликите в техните химични продукти.

ЧРЕВНА МИКРОБИОТА И ДИЕТА

Диетата е важна за поддържането на човешкото здраве, отчасти чрез модулиране на чревния микробиом. Наскоро бяха обсъдени както дългосрочните, така и краткосрочните ефекти на диетата върху микробиома на червата. Дългосрочната диета с високо съдържание на фибри и въглехидрати може да повиши нивото на Prevotella, докато типичната „западна“ диета с високо съдържание на протеини и мазнини може да увеличи нивото на Bacteroides (6). Друго проучване съобщава, че краткосрочната консумация на диети може бързо да предизвика промени в чревния микробиом, а хранителните микроби като бактерии, гъбички и дори вируси от храната ще колонизират червата преходно (7). Очевидно диетата може да се използва като ефективен начин за манипулиране на чревната микробиота.

В нашата лаборатория се опитваме да разработим мултидисциплинарни стратегии, за да скицираме „оста на микробиома на червата - метаболомично - човешко здраве“ (фиг. 1). Както предполагаме на фиг. 1, диетата може да промени състава на чревната микробиота, което впоследствие ще оформи микробния метаболом и допълнително да повлияе на хомеостазата на човешкото тяло гостоприемник. Използвайки биоаналитични и биохимични инструменти, ние се стремим да разкрием съкровището на няколко сантиметра под корема ни. Първо ще проучим как фенолните съединения (индуктор) в растенията променят консорциума от специализираните метаболити, произведени от чревната микробиота.

Оста на чревния микробиом-метаболомично-човешко здраве.

МИКРОБНИ СПЕЦИАЛИЗИРАНИ МЕТАБОЛИТИ

Чревната микробиота може да произвежда безброй малки молекули чрез метаболизъм, включително метаболити, биохимично модифицирани от микроорганизми, произхождащи от диетични компоненти и метаболити, които се синтезират de novo от чревни микроби. Съобщава се, че около 10% от метаболитите в кръвта са свързани с чревната микробиота (11). В една екологична система членовете на микробиотата комуникират помежду си и със своите партньори/врагове в околната среда, разчитайки до голяма степен на своите специализирани метаболити като сигнални молекули. Чревната микробиота се е развила с човешкото тяло и нашите предци в продължение на милиони години и чревната микробиота може да се е научила да взаимодейства и да комуникира с нас, използвайки техните химически мобилни телефони.

Наскоро бяха открити няколко метаболита с биоактивност, свързани с чревната микробиота. Например, ферихромът, изолиран от Lactobacillus casei ATCC 334, е показал, че има силен тумор-супресиращ ефект върху раковите клетки на дебелото черво (12). Друго проучване показва, че α-галактозилцерамид, сфинголипидно съединение, изолирано от мембраната на Bacteroides fragilis NCTC 9343, може да повлияе имунната хомеостаза на гостоприемника (13). Все повече внимание се насочва към специализираните метаболити, произведени от чревната микробиота. По-важното е, че тъй като специализираните метаболити от нормалната чревна флора са се движили съвместно с човешкото тяло в продължение на милиони години, тялото ни може да ги е приело и страничните ефекти от използването на тези съединения може да са ниски.

Копаенето на чревната микрофлора е точно като търсене на съкровища. Междувременно е почти невъзможно да се получат идентичностите на всички стотици или хиляди малки молекули в червата, да не говорим за техните много разнообразни химични структури, биоактивност и синтетични пътища. За отбелязване е, че сондирането на биосинтетични генни клъстери (BCGs) е доказано, че е мощен подход при изследването на биоактивни чревни микробни метаболити, тъй като в геномите на свързани с човека бактерии са идентифицирани над 3000 BCG Дали тези съединения са автентично изразени в червата, не е известно и тази задача би била изключително трудоемка по отношение на пречистване, структурно изясняване и тестване на биоактивността. В тази връзка е спешно необходим по-систематичен и ефективен подход за характеризиране на метаболитите, получени от микроби, с висока производителност.

ИДЕНТИФИЦИРАНЕ НА УНИКАЛНИ МИКРОБИОТА АСОЦИИРАНИ МОЛЕКУЛИ

Разработени са няколко стратегии за предсказване на хипотетични метаболитни продукти на микроорганизмите, но повечето от тези стратегии се основават на геномния анализ. Обикновено тези подходи ни дават груба информация, вместо подробни прогнози за конкретни молекулни продукти, като молекулни тегла и химични структури (15). Като алтернатива, течната хроматография, комбинирана с тандемна масспектрометрия (LC-MS/MS), се използва до голяма степен като ефективна аналитична техника в протеомиката и метаболомиката, при която могат да бъдат разкрити идентичностите на стотици до хиляди биологични молекули. Подобна стратегия обаче все още може да бъде неефективна при характеризирането на природните продукти, особено на специализирания метаболом на чревната флора, за който базата данни все още не е създадена. Друго предизвикателство е как да се разграничат уникалните микробни продукти от ендогенните метаболити на гостоприемника, които могат да бъдат с много порядъци по-високи от концентрациите на микробните целеви съединения.

За да се разрешат по-подробно чревните микробни продукти, GNPS (глобална социална молекулярна мрежа от природни продукти) може да бъде решение. В тази онлайн платформа, базирана на масова спектрометрия, структурно подобни метаболити могат да бъдат категоризирани в групи въз основа на тяхното тандемно масово спектрално сходство (16). По този начин хиляди молекули от храна, чревно съдържание, клетки гостоприемници и дори бактериални култури могат да бъдат систематично сравнявани и класифицирани въз основа на техните структурни прилики. По-важното е, че уникални микробни метаболити на специфичен микробен вид на червата, който е заровен дълбоко в огромния „немикробен фон“ и специализираният метаболом от всички останали сто микробни вида могат лесно да бъдат разпознати с помощта на GNPS (фиг. 2). В нашата лаборатория е приложена систематична и универсална методология за добив на специализирания метаболом на чревната флора, както е илюстрирано на фиг. 2. Също така сравнихме резултатите от 16S РНК анализ на фекални проби от различни групи мишки, хранени с диета с високо съдържание на мазнини ( HFD) и химически екстракти от други хранителни източници (като индуктор) за микробиомните характеристики. След това метаболомът във всяка група фекални проби, както и изолирани чревни микробни култури се визуализират с помощта на GNPS.

Експериментална схема за характеризиране на уникални метаболити.

ЗАКЛЮЧИТЕЛНИ БЕЛЕЖКИ И ПЕРСПЕКТИВИ

Множество технологии като 16S РНК и метагеномно секвениране дават по-задълбочено разбиране колко важни са динамичните микробни консорциуми за човешкото здраве, но малко се знае за метаболитите, получени от или модифицирани от чревната микробиота. Как се променя метаболомът на чревната флора с нарушаването на чревната флора? Разнообразието на метаболомите толкова важно ли е, колкото микробното разнообразие за човешкото здраве? Чревната микробиота произвежда широка гама от метаболити, които говорят с нас и които се развиват съвместно с човешкото тяло в продължение на милиони години. Сега е моментът да преведем и да отговоря на тези въпроси. Комбинирайки многомащабен набор от данни, включително геномни, химични и фенотипични анализи, съкровищната карта на молекулите ще бъде разкрита, което ни води да изследваме новия континент на чревния микробен метаболом.

ПРИЗНАВАНИЯ

Лабораторията Hsu в Националния тайвански университет се поддържа от Министерството на науката и технологиите (MOST), Република Китай (ROC) (грант MOST106-2113-M-002-013-MY2) и Центъра за нововъзникващи материали и модерни устройства, Национален тайвански университет (безвъзмездна помощ NTU-ERP-106R880211).

СТЪПКИ

    • Получено на 17 ноември 2017 г.
    • Приет на 4 януари 2018 г.

Това е статия с отворен достъп, разпространявана при условията на лиценза Creative Commons Attribution 4.0 International.