Ученые затрудняются объяснить, как именно кишечные микробы влияют на те или иные важные физиологические функции, поскольку микробиом кишечника отличается чрезвычайной сложностью, избыточностью и динамичностью.
Поэтому для продвижения исследований в области микробиома крайне важны новые технологии. Исследователи из Венского университета представили эффективные стратегии одновременного измерения тысяч белков микроорганизмов и хозяина. Результаты этого исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Область метапротеомики уникально подходит для одновременного измерения тысяч белков — как микробов, так и их хозяина. Однако кишечные микробиомы относятся к числу самых сложных из известных биологических образцов, содержащих белки сотен организмов в огромном диапазоне концентраций. Это можно сравнить с определением состава оркестра и репертуара, который его музыканты способны исполнить. Белки показывают, какие микробные функции активны, какой вклад вносят различные представители микробиома и, что важно, как реагирует хозяин. По аналогии с оркестром белки показывают не только, какие музыканты присутствуют, но и какую пьесу они исполняют, а также как реагирует публика — хозяин.
В новом исследовании ученые систематически сравнили пять передовых методов масс-спектрометрии по образцам человеческих фекалий. В итоге они определили методологические стратегии, обеспечивающие высокую чувствительность, воспроизводимость и функциональную информацию. «Метапротеомика позволяет нам увидеть, чем на самом деле занимаются микробные сообщества, а не просто определить, какие микробы присутствуют. Определив наиболее подходящие аналитические стратегии, мы надеемся сделать будущие исследования микробиома более чувствительными, воспроизводимыми и доступными в медицине, экологии и биотехнологии», - рассказал первый автор исследования Фэн Сянь.
Исследователи проверили, насколько надежно новые аналитические стратегии работают в условиях, соответствующих реальным биологическим процессам. Так, они измерили уровни белков микроорганизмов и хозяина на протяжении всего периода прогрессирования заболевания и выздоровления, выявив скоординированные изменения в функциях микроорганизмов параллельно с репаративной реакцией организма-хозяина. Наиболее эффективные методы позволили зафиксировать высокую согласованность реакций хозяина и микроорганизмов на этапах возникновения и снижения кишечного воспаления, продемонстрировав, что технологические усовершенствования могут привести к получению надежных биологических выводов.
«Разработка более совершенных технологий имеет решающее значение, если мы хотим ответить на вопросы в области исследований микробиома», — отметил Сянь. «Только прислушавшись к «музыкальной партитуре», исполняемой микробами, мы сможем начать понимать, почему «аудитория» — организм-хозяин — реагирует именно таким образом. Это кардинально изменит наше понимание роли микробиома в здоровье человека. Мы уже применяем эти достижения в рамках международных клинических коллабораций для изучения участия микробиомов в неврологических, метаболических и аутоиммунных заболеваниях».
Основные выводы исследования:
- Невозможно полностью понять микробиом кишечника, зная лишь, какие микробы в нем присутствуют; исследователи должны также определить, какую функцию они выполняют, анализируя их белки;
- Метапротеомика позволяет выявить микробную активность путем измерения тысяч белков, однако анализ сложных образцов кишечника представляет технические сложности;
- Выбор стратегии сбора данных масс-спектрометрии существенно влияет на чувствительность, воспроизводимость и функциональную интерпретацию результатов. Исследователи предлагают практические рекомендации по выбору наиболее подходящего метода;
- Методы с наилучшими характеристиками позволили зафиксировать скоординированные реакции хозяина и микроорганизмов на начальной стадии кишечного воспаления и в период выздоровления;
- Эти технологии создают прочную основу для будущих клинических исследований, посвященных изучению вклада микробиомов в здоровье и заболевания человека.
