A diéta befolyásolhatja-e egészségünket azáltal, hogy megváltoztatja a bél mikrobiotából származó székletmetabolitjait?

ABSZTRAKT

Az emberi gyomor-bél traktus sokféle, rendkívül kölcsönös mikrobiális flórával rendelkezik, amely számtalan speciális metabolitot képes előállítani. Ezek a speciális metabolitok azok a vegyi mobiltelefonok, amelyeket a bél mikroflóra kommunikál az emberi gazdájukkal, és potenciálisan felhasználhatók betegségek gyógyítására. Az étrendben lévő kémiai vegyületek a bélflórát is formálják. Annak megértése érdekében, hogy a bélmikrobából származó speciális metabolitok melyik és hogyan befolyásolják az emberi egészséget, javasoljuk a „bél mikrobiom-metabolomikus-emberi egészség tengelyét”. Laboratóriumunkban a genomikus, kémiai, fenotípusos elemzéseket ötvöző stratégiát vezették be a bélben és a székletben található bioaktív molekulák kincseinek kibányászására. Hisszük, hogy az élvonalbeli metabolomika áthidalja a mikrobiológiát és az emberi egészséget.

mSystems® vol. 3. szám 2, a Janssen Human Microbiome Institute (JHMI) által támogatott különszám.

PERSPEKTÍV

Az emberi gyomor-bél traktus sokszínű, erősen kölcsönös mikrobiális flórával rendelkezik, amelyet együttesen bélmikrobiomnak neveznek. Becslések szerint az emberi test tömegének körülbelül 0,2 kg-át teszik ki a bél ezen lakói (1). A bél mikrobiomjának genetikai sokfélesége még megdöbbentőbb. A székletminták metagenomikus szekvenálása 3,3 × 106 6 nem redundáns mikrobiális gént azonosított akár 1150 különböző fajból, mintegy 150-szer meghaladva az emberi fehérjét kódoló gének számát. Ezenkívül a becslések szerint minden ember legalább 160 különféle fajt fog befogadni (2).

A mikrobiom vizsgálata a biológiai tudományok növekvő ágává vált. 2007-ben csak 14 NIH pályázati anyag tartalmazta címében vagy kivonatában a „mikrobiom” szót, és 2017-ben ez a szám 1043-ra emelkedett (http://grantome.com/search?q=microbiome). Ez rávilágít arra, hogy mennyi akadémiai figyelem és közérdeklődés irányul a mikroorganizmusok béltraktusunkban betöltött szerepeire, de nagyon kevés az az információ, hogy a bélmikrobából származó speciális metabolitok hogyan befolyásolják az emberi egészséget. Ez azért meglepő, mert a természetes mikrobiális termékek az elmúlt évtizedekben gazdag új gyógyszerek forrását jelentették. A gazdaszervezet és a mikroba kölcsönhatásainak megértése érdekében paradigmaváltásra van szükség a bélflóra genomikájában bekövetkező változásokról a vegyi termékeik közötti különbségekre.

BÉR MIKROBIÓTA ÉS ÉTLET

A diéta fontos az emberi egészség megőrzésében, részben a bél mikrobiomjának modulálásával. A közelmúltban megvitatták a diéta hosszú távú és rövid távú hatásait a bél mikrobiomjára. A magas rosttartalmú és szénhidráttartalmú hosszú távú étrend növelheti a Prevotella szintjét, míg egy tipikus, magas fehérjetartalmú és zsírtartalmú „nyugati” étrend növelheti a Bacteroides szintjét (6). Egy másik tanulmány arról számolt be, hogy a diéták rövid távú fogyasztása gyorsan előidézheti a bél mikrobiomjának változásait, és az élelmiszer által közvetített mikrobák, például baktériumok, gombák, sőt az ételből származó vírusok is átmenetileg kolonizálják a bélet (7). Nyilvánvaló, hogy a diéta hatékony módja lehet a bél mikrobiotájának manipulálására.

Laboratóriumunkban multidiszciplináris stratégiák kidolgozására törekszünk a „bél mikrobiom-metabolomikus-emberi egészség tengely” felvázolására (1. ábra). Amint azt az 1. ábrán feltételezzük, az étrend megváltoztathatja a bél mikrobiota összetételét, amely utólag formálná a mikrobiális metabolomot, és tovább befolyásolná a gazda emberi test homeosztázisát. Bioanalitikai és biokémiai eszközökkel arra törekszünk, hogy feltárjuk a kincset néhány centivel a hasunk alatt. Először azt vizsgáljuk, hogy a növényekben található fenolos vegyületek (induktor) hogyan változtatják meg a bél mikrobiota által termelt speciális metabolitok konzorciumát.

A bél mikrobioma-metabolomikus-emberi egészség tengelye.

MIKROBIÁLIS SPECIALIZÁLT METABOLITOK

A bél mikrobiota számtalan kismolekulát képes előállítani az anyagcsere révén, beleértve az étrendi összetevőkből származó mikroorganizmusok által biokémiai úton módosított metabolitokat és a bélmikrobák által de novo szintetizált metabolitokat. Beszámoltak arról, hogy a vér metabolitjainak körülbelül 10% -a társul a bél mikrobiotájához (11). Egy ökológiai rendszerben a mikrobiota tagjai kommunikálnak egymással és környezeti partnereikkel/ellenségeikkel, nagyrészt speciális metabolitjaikra, mint jelző molekulákra támaszkodva. A bél mikrobiota évmilliók óta fejlődött az emberi testtel és őseinkkel, és a bél mikrobiota megtanulhatott velünk kölcsönhatásba lépni és kommunikálni kémiai mobiltelefonjaikkal.

A közelmúltban számos, a bél mikrobiotájához kapcsolódó bioaktivitású metabolitot fedeztek fel. Például a Lactobacillus casei ATCC 334-ből izolált ferrikromnak kimutatták, hogy erős tumorszuppresszív hatása van a vastagbélrák sejtjeire (12). Egy másik tanulmány azt mutatta, hogy az a-galaktozilceramid, a Bacteroides fragilis NCTC 9343 membránjából izolált szfingolipid vegyület befolyásolhatja a gazda immunháztartását (13). Egyre több figyelem fordult a bél mikrobiota által termelt speciális metabolitokra. Ennél is fontosabb, hogy mivel a normál bélflóra speciális metabolitjai évmilliók óta együtt járnak az emberi testtel, szervezetünk valószínűleg elfogadta őket, és ezeknek a vegyületeknek a mellékhatásai valószínűleg alacsonyak lehetnek.

A bél mikroflóra bányászata olyan, mint a kincsvadászat. Eközben szinte lehetetlen megszerezni a bélben lévő több száz vagy ezer kismolekula azonosítását, nem beszélve azok kémiai szerkezetéről, bioaktivitásáról és szintetikus útjairól. Különösen a bioszintetikus géncsoportok (BCG-k) vizsgálata bizonyult erőteljes megközelítésnek a bioaktív bél mikrobiális metabolitjainak feltárásában, mivel több mint 3000 BCG-t azonosítottak az emberrel társult baktériumok genomjában (14). Hogy ezek a vegyületek hitelesen expresszálódnak-e a bélben, nem ismert, és ez a feladat rendkívül munkaigényes lenne a tisztítás, a strukturális tisztázás és a bioaktivitás tesztelése szempontjából. E tekintetben sürgősen szisztematikusabb és hatékonyabb megközelítésre van szükség a mikrobákból származó metabolitok nagy áteresztőképességű jellemzéséhez.

AZ EGYEDI MIKROBIOTA-TÁRSAI MOLEKULÁK AZONOSÍTÁSA

Számos stratégiát dolgoztak ki a mikroorganizmusok hipotetikus metabolikus termékeinek előrejelzésére, de ezek a stratégiák többsége genomiális elemzésen alapult. Általában ezek a megközelítések durva információkat adnak nekünk, a konkrét molekuláris termékek, például a molekulatömeg és a kémiai szerkezetek részletes előrejelzése helyett (15). Alternatív megoldásként a folyadékkromatográfiát tandem tömegspektrometriával (LC-MS/MS) kombinálva nagyrészt hatékony analitikai technikaként alkalmazták a proteomikában és a metabolomikában, amelyben több száz és ezer biológiai molekula azonosságát lehetett feltárni. Egy ilyen stratégia azonban továbbra is hatástalan lehet a természetes termékek jellemzésében, különös tekintettel a bélflóra speciális metabolomjára, amelyre vonatkozóan az adatbázist még nem hozták létre. Egy másik kihívás az, hogyan lehet megkülönböztetni az egyedi mikrobiális termékeket az endogén gazda metabolitoktól, amelyek sok nagyságrenddel magasabbak lehetnek, mint a mikrobiális célvegyületek koncentrációi.

A bélmikrobiális termékek részletesebb megoldására a GNPS (globális természetes termék társadalmi molekuláris hálózat) jelenthet megoldást. Ebben az online tömegspektrometria-alapú struktúrában a szerkezetileg hasonló metabolitokat tandem tömegspektrális hasonlóságuk alapján csoportokba lehet sorolni (16). Ily módon az élelmiszerekből, a béltartalomból, a gazdasejtekből, sőt a baktériumtenyészetekből származó molekulák ezreit lehetne szisztematikusan összehasonlítani és osztályozni strukturális hasonlóságaik alapján. Ennél is fontosabb, hogy egy bizonyos bélmikrobiális faj egyedi mikrobiális metabolitjai, amelyek a hatalmas „nemmikrobiális háttér” mélyén vannak elásva, és az összes többi száz mikrobiális faj speciális metaboloma könnyen felismerhető a GNPS segítségével (2. ábra). Laboratóriumunkban szisztematikus és univerzális módszert alkalmaznak a bélflóra speciális metabolomjának bányászatára, amint azt a 2. ábra szemlélteti. Összehasonlítottuk a zsírtartalmú étrendet tápláló egerek különböző csoportjainak székletmintáinak 16S RNS-analízisét is ( HFD) és más élelmiszerforrások kémiai kivonatai (induktorként) a mikrobiómák jellemzői érdekében. A székletminták minden csoportjában a későbbi metabolomot, valamint az izolált bélmikrobiális tenyészeteket GNPS segítségével vizualizálják.

Kísérleti folyamatábra az egyedi metabolitok jellemzésére.

ZÁRÓ MEGJEGYZÉSEK ÉS PERSPEKTÍVEK

Számos technológia, például a 16S RNS és a metagenomikus szekvenálás mélyebb megértést ad arról, hogy a dinamikus mikrobiális konzorciumok mennyire fontosak az emberi egészség szempontjából, de a bél mikrobiotájából származó vagy az által módosított metabolitokról keveset tudni. Hogyan változik a bélflóra metaboloma a bélflóra perturbációjával? A metabolom sokfélesége ugyanolyan fontos az emberi egészség szempontjából, mint a mikrobiális sokféleség? A bél mikrobiota sokféle metabolitot termel, amelyek beszélgetnek velünk, és amelyek évmilliókig együtt jártak az emberi testtel. Itt az ideje lefordítani és megválaszolni ezeket a kérdéseket. A több léptékű adatsor kombinálásával, beleértve a genomi, kémiai és fenotípusos elemzéseket, ezután kiderül a molekulák kincstérképe, amely a bél mikrobiális metabolomjának új kontinensének felfedezéséhez vezet.

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS

A Tajvani Nemzeti Egyetem Hsu laboratóriumát a Kínai Köztársaság Tudományos és Technológiai Minisztériuma (MOST) támogatja (MOST106-2113-M-002-013-MY2 támogatás), valamint az Új Anyagok és Fejlett Eszközök Központja, Tajvani Nemzeti Egyetem (NTU-ERP-106R880211 támogatás).

LÁBJEGYZETEK

2017. november 17-én érkezett.
Elfogadva 2018. január 4.

Ez egy nyílt hozzáférésű cikk, amelyet a Creative Commons Attribution 4.0 International licenc feltételei szerint terjesztenek.