Исследуя микробную "темную материю"
Поисковая система с открытым исходным кодом помогает ученым определить сотни микробных метаболитов за считанные секунды.
Микроорганизмы, составляющие более 15% биомассы Земли, колонизировали планету от полюса до полюса, воздействуя на экологию с помощью производимых ими метаболитов. В связи с их повсеместным распространением и важностью для окружающей среды, исследователи пытаются точно идентифицировать микробные метаболиты в полевых и лабораторных условиях. Публичные базы данных могут помочь ученым расшифровать некоторые микробные молекулы, но они часто ограничены хорошо изученными видами.
Чтобы высветить "темную материю" микробов, исследователи разработали инструмент для поиска микробных масс-спектров (microbeMASST), который позволяет обнаружить сотни микробных метаболитов за один раз, сравнивая образцы с общедоступными записями более чем 60 000 микробных культур. Первоначально разработанный для изучения микробов океанов, microbeMASST применяется сейчас для изучения микробиома человека, чтобы изучить его влияние на заболевания. О своих результатах исследователи сообщили в журнале Nature Microbiology.
"Это новое исследование дает возможность рассматривать молекулы в экологическом контексте", - комментирует Роджер Линингтон, химик-аналитик из Университета Саймона Фрейзера, который не участвовал в исследовании, но в прошлом сотрудничал с некоторыми из авторов. "Традиционно ученые занимались изучением микроорганизмов по отдельности и выделяли отдельные молекулы". Линингтон отметил, что это затрудняло идентификацию микробов, производящих тот или иной метаболит.
Ученые редко получают полное представление о микробном метаболоме. Например, исследователи подозревают, что кишечные бактерии производят большую часть метаболитов в пищеварительном тракте, поскольку они обладают примерно в 100 раз большим количеством генов, чем геном человека. Когда ученые собирают образцы кала они обычно могут определить только 10% метаболитов. "Процент действительно микробных молекул из этих 10% составляет менее 1%", - поясняет Симона Зуффа, специалист по вычислительной биологии из Калифорнийского университета и соавтор исследования.
В некоторых экосистемах расшифровка микробной активности становится еще сложнее. Анелиз Бауэрмейстер, морской микробиолог из Калифорнийского университета и также соавтор исследования, изучает морские микроорганизмы, в том числе те, которые колонизируют коралловые рифы. "Найти метаболиты в морских микробах очень сложно, потому что их трудно собрать и культивировать в лаборатории", - говорит она.
Когда Бауэрмейстер научилась культивировать этих обитающих в океане существ, ей было трудно не просто определить, кто производит метаболиты - микробы, кораллы или другие подводные источники. Стремясь решить эту проблему, она и ее коллеги начали разработку microbeMASST, инструмента для определения того, какие метаболиты были получены от микробов в образцах, взятых из различных сред. Надеясь охватить разнообразных микробов в своем поисковом методе, группа собрала данные метаболомики, полученные от микробов, обнаруженных в организме животных, людей, озер, океанов, растений и почв.
Они решили протестировать microbeMASST на лабораторных мышах. В организме мышей клетки и обитающие в них микробы производят метаболиты, но microbeMASST обнаруживает те, которые производятся исключительно микробами. Ученые проанализировали массив данных, содержащий метаболиты из целого ряда органов и биологических жидкостей, включая мозг, сердце, печень, кровь и фекалии как нормальных, так и безмикробных мышей. Поскольку у безмикробных мышей отсутствуют микробы, Зуффа предположила, что любые метаболиты, обнаруженные у нормальных мышей, но отсутствующие у безмикробных, должны быть созданы микробами. Используя этот подход, они выявили 1 673 метаболита, производимых исключительно бактериями и грибками, живущими в организме мыши.
"Если они действительно являются производными микроорганизмов, то должны наблюдаться и в других исследованиях", - рассказывает ход своих мыслей Зуффа. Чтобы проверить достоверность своих выводов, исследователи сравнили нормальных мышей с мышами, получавшими антибиотики. В новом анализе был обнаружен 621 аналогичный метаболит, из которых 512 были характерны только для мышей, не получавших антибиотики. Этот метод служит отправной точкой для поиска микробных метаболитов, но для подтверждения того, что эти молекулы действительно происходят от микробов, необходимы дальнейшие биохимические анализы микроорганизмов, культивируемых в лаборатории.
microbeMASST может оказаться ценным для исследований микробиома человека, изучающих роль, которую микробы и их метаболиты играют в здоровье и заболеваниях. Используя человеческие данные, Зуффа и ее коллеги сравнили образцы здоровых людей и людей с различными заболеваниями, включая воспалительные заболевания кишечника, которые часто связаны с нарушениями в микробиоме. В этих образцах они обнаружили 455 из тех же 512 микробных соединений, которые были выявлены в данных по мышам, что позволяет предположить, что этот поисковый инструмент также может отслеживать сотни микробных молекул в человеческом организме.
Как и в случае с мышами, они исследовали целый ряд органов и биологических жидкостей, но полученные результаты не обязательно указывали на то, что микробы присутствуют во всех этих местах. Скорее, они указывали на то, что микробные метаболиты, вырабатываемые в кишечнике, могут распространяться по всему организму и вызывать системные эффекты.
Несмотря на этот прорыв в изучении микробных метаболитов, многие молекулы пока остаются темной материей. Инструмент поиска ограничен общедоступными данными метаболомики, что создает узкое место в поиске микробов и метаболитов. Однако Линингтон надеется, что этот метод подтолкнет научное сообщество к открытому доступу к своим данным.
Еще одно ограничение связано с тем, как ученые собирают данные метаболомики. Как правило, они используют масс-спектрометр для ионизации метаболитов в заряженные фрагменты, а затем измеряют их массу и заряд, чтобы разгадать код их химической структуры. "Не все молекулы одинаково легко обнаружить с помощью масс-спектрометрии, потому что различные структуры соединений имеют разную склонность к ионизации в приборе", - пояснил Линингтон, поэтому некоторые метаболиты остаются незамеченными.
Выйдя за рамки микробов, исследователи планируют создать другие поисковые инструменты, которые облегчат поиск метаболитов в других формах жизни. "Мы разрабатываем версию для растений под названием plantMASST, которая подскажет вам, действительно ли определенные молекулы производятся конкретными растениями", - рассказала Зуффа.
