Nyt værktøj kan hjælpe forskere med at identificere enzymer i mikrobiomer

For forskere, der studerer de mulige forbindelser mellem menneskers sundhed og de billioner af mikrober, der bebor vores fordøjelseskanal, det, der gør arbejdet så spændende, er også det, der gør det udfordrende.

Trods mange års indsats, herunder sekventering af tarmmikrober fra tusinder af frivillige, funktionerne af langt de fleste proteiner, der findes i dette mikrobielle samfund - hele 85 procent - forbliver et mysterium. Mange af disse proteiner er sandsynligvis enzymer, de biologiske katalysatorer, der tillader levende organismer at udføre kemiske reaktioner. Nogle enzymer i det humane tarmmikrobiom kan udføre kemiske processer, der er kritiske for sundheden, men som i øjeblikket ikke genkendes.

Men et nyt værktøj, udviklet af Harvards Emily Balskus, Morris Kahn lektor i kemi og kemisk biologi, i samarbejde med Curtis Huttenhower, en lektor i beregningsbiologi og bioinformatik ved Harvard T.H. Chan School of Public Health, kan hjælpe forskere med mere præcist at identificere enzymer, der findes i mikrobiomer, og kvantificere deres relative overflod. Teknikken er beskrevet i et papir udgivet i Videnskab .

"Dette er en interessant ting at kunne gøre, fordi med vores metode ... ud over at identificere kendte mikrobielle enzymer, vi kan få oplysninger om distribution og overflod af enzymer med ukendte aktiviteter, "Balskus sagde." En stor udfordring forbundet med mikrobiomer har været, hvordan man forhører disse samfunds ukarakteriserede genetiske potentiale. Hvordan går man fra gener i det humane mikrobiom til nye mikrobielle metaboliske aktiviteter? ... Og vi tror, ​​at dette kan være et redskab til at gøre det. "

Bevæbnet med den nye teknik, Balskus og Huttenhower kunne for første gang forstå, hvor almindeligt et ikke -karakteriseret glycylradikalenzym var i det sunde humane tarmmikrobiom. De var også i stand til at belyse, hvad dette enzym rent faktisk gør.

Balskus -laboratoriet undersøger glycylradikale enzymer, fordi de er en af ​​de mest udbredte proteinfamilier i det humane tarmmikrobiom.

"Dette ikke-karakteriserede enzym var det næstmest forekommende glycylradikalenzym i hver person, der blev sekventeret som en del af Human Microbiome Project, og dens universelle fordeling antydede stærkt, at det gjorde noget vigtigt, "sagde Balskus." Det viser sig at have en fascinerende funktion. Det gør det muligt for mikrober at metabolisere en aminosyre kaldet 4-hydroxyprolin, som er en vigtig bestanddel af kollagen, det mest rigelige protein i menneskekroppen. Vi har opdaget, hvordan mikrober bruger denne aminosyre til at vokse i det anaerobe miljø i den menneskelige tarm. "

Med disse oplysninger i tankerne, Balskus tilføjede, forskere kan undersøge en række yderligere spørgsmål.

"Nu hvor vi har en forståelse for, at denne aktivitet er meget rigelig i dette mikrobielle habitat, vi kan begynde at undersøge en række nye ideer til, hvorfor det kan være til stede, og hvordan det kan påvirke den menneskelige vært og andre mikrober, " hun sagde.

Uden denne type værktøj, Balskus sagde, det er utroligt svært at afdække ny kemi i tarmmikrobiomet på grund af lighederne, der deles af mange enzymer.

"Vi var interesserede i udfordringen med at skelne medlemmer af den samme enzymfamilie, der har forskellige aktiviteter fra hinanden, "sagde hun." Medlemmer af en menneskelig familie kan være nært beslægtede, men har meget forskellige erhverv, og dette er også tilfældet for enzymfamilier. En familie af enzymer kan være ens med hensyn til deres aminosyresekvenser, men de enkelte medlemmer af familien har ofte udviklet sig til at udføre meget forskellige kemiske transformationer. "

Balskus håber, at den nye teknik vil give forskere mulighed for at identificere og karakterisere nye enzymer i et forsøg på bedre at forstå de metaboliske processer i mikrobielle samfund og deres indvirkning på omgivende organismer og miljøer.

"Jeg håber, at dette vil være et vigtigt bidrag og skridt i retning af at tackle dette enorme problem med ikke -karakteriserede proteiner i mikrobielle samfund, "sagde hun." Dette er et problem ikke kun for det menneskelige tarmmikrobiom, men for ethvert mikrobielt samfund. Og disse samfund er bogstaveligt talt overalt på Jorden! "

Fremadrettet, Balskus mener, at teknikken endda kan kaste lys over, hvordan det menneskelige tarmmikrobiom påvirker menneskers sundhed.

"I fremtiden, vi kan begynde at tænke på ting som sammenlignende analyser, "sagde hun." I dette papir kiggede vi kun på data fra raske mennesker. Men vi vil virkelig gerne sammenligne overflod af enzymer i mikrobiomer fra raske individer og patienter, der lider af forskellige sygdomme. Dette kan give os et indblik i, hvordan metaboliske aktiviteter i tarmmikrobiomet kan ændre sig med sygdom. Hvis der er visse enzymer, der er særligt rigelige hos patienter med en given sygdom, de kan være potentielle terapeutiske mål. "