Voor onderzoekers die de mogelijke verbanden bestuderen tussen de menselijke gezondheid en de biljoenen microben die ons spijsverteringskanaal bewonen, wat het werk zo spannend maakt, is ook wat het uitdagend maakt.

Ondanks jaren van inspanning, inclusief het sequencen van de darmmicroben van duizenden vrijwilligers, de functies van de overgrote meerderheid van de eiwitten die in deze microbiële gemeenschap worden gevonden - maar liefst 85 procent - blijven een mysterie. Veel van deze eiwitten zijn waarschijnlijk enzymen, de biologische katalysatoren waarmee levende organismen chemische reacties kunnen uitvoeren. Sommige enzymen in het menselijke darmmicrobioom kunnen chemische processen uitvoeren die essentieel zijn voor de gezondheid, maar die momenteel niet worden herkend.

Maar een nieuw instrument ontwikkeld door Emily Balskus van Harvard, de Morris Kahn universitair hoofddocent chemie en chemische biologie, in samenwerking met Curtis Huttenhower, een universitair hoofddocent computationele biologie en bio-informatica aan de Harvard T.H. Chan School of Public Health, kan onderzoekers helpen om enzymen die aanwezig zijn in microbiomen nauwkeuriger te identificeren en hun relatieve overvloed te kwantificeren. De techniek wordt beschreven in een paper gepubliceerd in Wetenschap .

"Dit is interessant om te kunnen doen, omdat met onze methode … naast het identificeren van bekende microbiële enzymen, we kunnen informatie krijgen over de distributie en overvloed van enzymen met onbekende activiteiten, " zei Balskus. "Een grote uitdaging in verband met microbiomen was hoe het niet-gekarakteriseerde genetische potentieel van deze gemeenschappen kon worden ondervraagd. Hoe ga je van genen in het menselijk microbioom naar nieuwe microbiële metabolische activiteiten? ... En we geloven dat dit een hulpmiddel kan zijn om dat te doen."

Gewapend met de nieuwe techniek, Balskus en Huttenhower waren in staat om voor het eerst te begrijpen hoe vaak een niet-gekarakteriseerd glycylradicaal enzym voorkomt in het gezonde menselijke darmmicrobioom. Ze waren ook in staat om op te helderen wat dit enzym eigenlijk doet.

Het Balskus-lab bestudeert glycylradicale enzymen omdat ze een van de meest voorkomende eiwitfamilies in het menselijke darmmicrobioom zijn.

"Dit niet-gekarakteriseerde enzym was het op één na meest voorkomende glycylradicaal-enzym in elke persoon waarvan de sequentie werd bepaald als onderdeel van het Human Microbiome Project, en de universele verspreiding suggereerde sterk dat het iets belangrijks deed", zei Balskus. "Het blijkt een fascinerende functie te hebben. Het stelt microben in staat om een ​​aminozuur genaamd 4-hydroxyproline te metaboliseren, dat een belangrijk bestanddeel is van collageen, het meest voorkomende eiwit in het menselijk lichaam. We hebben ontdekt hoe microben dit aminozuur gebruiken om te groeien in de anaërobe omgeving van de menselijke darm."

Met die informatie in het achterhoofd, Balskus heeft toegevoegd, onderzoekers kunnen een reeks aanvullende vragen onderzoeken.

"Nu we beseffen dat deze activiteit zeer overvloedig is in deze microbiële habitat, we kunnen beginnen met het verkennen van een aantal nieuwe ideeën over waarom het aanwezig zou kunnen zijn, en hoe het de menselijke gastheer en andere microben kan beïnvloeden, " ze zei.

Zonder dit soort gereedschap, Balskus zei, het is ongelooflijk moeilijk om nieuwe chemie in het darmmicrobioom te ontdekken vanwege de overeenkomsten die door veel enzymen worden gedeeld.

"We waren geïnteresseerd in de uitdaging om leden van dezelfde enzymfamilie te onderscheiden die verschillende activiteiten van elkaar hebben, Zei ze. Leden van een mensenfamilie kunnen nauw verwant zijn, maar hebben heel verschillende beroepen, en dit is ook het geval voor enzymfamilies. Een familie van enzymen kan vergelijkbaar zijn wat betreft hun aminozuursequenties, maar de individuele leden van de familie zijn vaak geëvolueerd om heel verschillende chemische transformaties uit te voeren."

Balskus hoopt dat de nieuwe techniek onderzoekers in staat zal stellen nieuwe enzymen te identificeren en te karakteriseren in een poging om de metabolische processen van microbiële gemeenschappen en hun impact op omringende organismen en omgevingen beter te begrijpen.

"Ik hoop dat dit een belangrijke bijdrage en stap zal zijn in de richting van het aanpakken van dit enorme probleem van niet-gekarakteriseerde eiwitten in microbiële gemeenschappen, "zei ze. "Dit is niet alleen een probleem voor het menselijke darmmicrobioom, maar voor elke microbiële gemeenschap. En deze gemeenschappen zijn letterlijk overal op aarde!"

Vooruit gaan, Balskus gelooft dat de techniek zelfs enig licht kan werpen op hoe het menselijke darmmicrobioom de menselijke gezondheid beïnvloedt.

"In de toekomst, we kunnen gaan nadenken over zaken als vergelijkende analyses, " zei ze. "In dit artikel hebben we alleen gekeken naar gegevens van gezonde mensen. Maar we willen graag de overvloed aan enzymen in microbiomen vergelijken van gezonde individuen en patiënten die aan verschillende ziekten lijden. Dit zou ons een idee kunnen geven van hoe metabolische activiteiten in het darmmicrobioom kunnen veranderen met ziekte. Als er bepaalde enzymen zijn die bijzonder overvloedig voorkomen bij patiënten met een bepaalde ziekte, ze kunnen potentiële therapeutische doelen zijn."