כלים ופרקטיקות חדשניות מחוללות מהפכה במחקר המיקרוביום של המעיים

במאמר פרספקטיבות שפורסם לאחרונה בכתב העת מטבוליזם של הטבע, חוקרים חושפים את ההתקדמות המתקדמת בחילוף החומרים של קהילת החיידקים במעיים, ומדגישים את האתגרים הנוכחיים העומדים בפניהם בשטח. הם מספקים המלצות לכלים ומתודולוגיות חישוביות עדכניות שעשויות לייעל ולתקן מחקרים כאלה, תוך שימת דגש על היתרונות של קישור בין מכלולי חיידקים ספציפיים לפרט והמסלול המטבולי שלהם והסקת ממצאים אלה לרמת המערכת האקולוגית. לבסוף, הם מפרטים את הפרקטיקות הטובות ביותר למחקר מיקרוביום במעיים שמטרתם לחולל מהפכה במניפולציה ובגישות טיפוליות של מיקרוביום בעתיד הלא רחוק.

פרספקטיבה: כלים מתפתחים ושיטות עבודה מומלצות לחקר חילוף החומרים של קהילת חיידקים במעיים. קרדיט תמונה: תמונת אנטומיה / Shutterstock

רקע כללי

ה'מיקרוביום של המעי', המכונה גם 'מיקרוביוטה' או 'פלורת המעי', הוא סיכום של חיידקים, פטריות, וירוסים וארכיאה המאכלסים את דרכי העיכול של בעלי חיים (הנקראים 'מארחים' שלהם) בקשר סימביוטי בעיקר. . מחקר חקר את הקשר הסימביוטי הזה בבני אדם ובאורגניזמים מודל וחשף שהרכב הקהילה, הגיוון היחסי והשפע של החיידקים הללו משפיעים באופן עמוק על ההרכב הכימי של גופם של המארחים, ומשפיעים מאוד על בריאותם של האחרונים.

למרות שבדרך כלל מאמינים כמשפיעים על בריאותם של המארחים באמצעות אפנון תפקוד מערכת העיכול, אוסף גדל והולך של ראיות מדגיש את תפקידו של המיקרוביום של המעי ומטבוליזם שלו בקידום או שינוי התפקוד, הסיכונים והתוצאות של זיהומים וחסינות, עיכול, או לאחרונה, אפילו טיפול בסרטן. ממצאים אלה הופכים הבנה הוליסטית של יחסי הגומלין בין חילוף החומרים המארח לבין קהילות מיקרוביאליות חיונית. גזירת והבהרת המנגנונים העומדים בבסיס התמורות ביולוגיות אלו עשויה לחולל מהפכה עתידית בניהול וטיפול במחלות ברמה הפרטנית.

מדוע קיימת פרספקטיבה זו, ומה היא שואפת לתרום?

אין שני בני אדם, ובהרחבה, מכלול המיקרוביום שלהם, זהים. גיוון מהותי בגנטיקה ברמת הזנים והתוצאות הפנוטיפיות הנלוות אליהן הפריע להתקדמות המדעית בהתאמה אישית של מניפולציות של מיקרוביום מעי למטרות רפואיות. אתגרים נוספים בביסוס הקשר סביבתי ובאיחוד בסיס הידע העצום של חילוף חומרים מיקרוביאלי הציגו אתגרים רבים בפיתוח התערבויות מיקרוביום ספציפיות למטופלים או אפילו לאוכלוסייה.

באופן מעודד, ההתקדמות האחרונה במטבוליזם המיקרוביאלי של המעי ניסתה להתמודד עם אתגרים אלו על ידי פיתוח כלים חישוביים ומתודולוגיים, לרבות כלים לביאורים ואצור עבור 1. מודלים של מטבוליזם, 2. ניתוחי רשת מטבוליים בקהילה, ו-3. מאגרי ידע מרכזיים וזמינים לציבור. למרבה הצער, בהתחשב בהיקפו הרחב של התחום ובאופיו הבינתחומי, רבים מההתקדמות הללו נותרו בלתי נראות לעיני חוקרים וקלינאים. יתרה מזאת, החידוש היחסי של התחום והיעדר מתודולוגיות דגימה סטנדרטיות ומוסכמות דיווח על תוצאות מחלל עוד יותר את עקומת הלמידה עבור מחקרי מיקרוביום פוטנציאליים במעיים.

מאמר נקודות המבט הנוכחי נועד לייעל תהליך זה על ידי סיכום אתגרים היסטוריים ומתמשכים במחקר מטבוליזם של מיקרוביום במעיים, הדגשת משאבי הנתונים והכלים האנליטיים הטובים ביותר הזמינים כיום למחקרים בתחום, והמלצה על פרקטיקות ומתודולוגיות לסטנדרטיזציה וייעול מחקרים עתידיים.

אתגרים בהבנת חילוף החומרים של הקהילה המיקרוביאלית

מבחינה היסטורית, מחקר מטבוליזם מיקרוביאלי היה תלוי במערכות מודל של ספרי לימוד כגון אי קולי (אי – קולי) ותאי יונקים. למרבה הצער, מודלים מסוג תא יחיד אלו שונים באופן מהותי מקהילות חיידקים במעיים מגוונות ביותר בחזיתות מרובות – 1. מערכת העיכול, ובתמורה, קהילות מיקרוביאליות במעיים הן בעיקר אנאירוביות. בעוד שספרות משמעותית מפרטת את חילוף החומרים של פחמימות בסביבות אנאירוביות, פלורת המעי משתמשת לעתים קרובות במטבוליטים חלופיים לא מובנים כמקורות תזונה (למשל, נוקלאוטידים וחומצות אמינו). שינויים בתזונה של אנשים נקשרים יותר ויותר למעברים (הן לטווח קצר והן לטווח ארוך) בהרכב פרחי המעי שלהם, אך המנגנון העומד בבסיס האינטראקציות הללו נותר חמקמק.

"תת-זן E. coli K-12 MG1655 הוא המיקרואורגניזם הנחקר ביותר על פני כדור הארץ, אך ל-6% מהגנים שלו אין תפקוד צפוי או ידוע, ו-83% ממאפייני המטבוליטים המיוצרים על ידי אורגניזם זה אינם מזוהים."

2. בניגוד לתלבושת אחידה אי – קולי אוכלוסיות או שורות תאים של יונקים, הבריאות הכללית של המיקרוביום של המעי תלויה באינטראקציות בין כל החיידקים המרכיבים שלו המשתנים באופן דינמי. אנחנו עדיין לא מבינים את האינטראקציות המטבוליות הקשורות זו בזו בנבדקים אנושיים בודדים, שלא לדבר על בסיס נתונים מוער של כל האינטראקציות האפשריות בקנה מידה של המערכת האקולוגית.

כיצד נוכל להתמודד עם האתגרים הללו?

לפני שננסה להבהיר את האינטראקציות המטבוליות בקנה מידה רחב, עלינו תחילה להעמיק את ההבנה שלנו לגבי חילוף החומרים של חיידקים בודדים. כלים חדישים כגון GutSMASH, SIMMER ו-MAGI יכולים לסייע בהוספת הערות לתפקודי גנים מטבוליים באמצעות ארגון פיזי, מבנים גנומיים וכימיים, בהתאמה.

ברגע שזה מושג או לפחות מתקדם עבור תת-קבוצה של חיידקים, ניתן להשתמש בתוכנות COBRA (Constraint-Based Reconstruction and Analysis), BiGG ו-DEMETER כדי לבנות מפות מטבוליות ברמת הגנום כדי להעלות השערה של יכולות מטבוליות בודדות ברמת המיקרוביום והאינטראקציות ביניהן. עם סביבות מארחות. ניתן להשתמש בגישות המבוססות על בינה מלאכותית כגון כלים 'פנוטייפ עמוק' (BacterAI) כדי לתכנן ולייעל את זרימת העבודה, להאיץ באופן משמעותי את רכישת הנתונים, איסוף וניתוח עבור מחקרי מטבוליזם של מיקרובי יחיד אלו.

כאשר עוברים מרמת הפרט לקהילה/מערכת אקולוגית, גישות מטבולומיות יכולות לספק תובנות מפתח להבהרת התנהגויות ותגובות קולקטיביות של פלורת המעיים. MASST הוא כלי אחד כזה המסוגל לחפש במהירות במאגרי מידע זמינים לציבור אחר מידע משוער או רצוי של ספקטרום מסה. בשילוב עם נתונים מטאנומיים, נתוני ספקטרום המסה הללו יכולים להבהיר עוד יותר את האקולוגיה של מכלולי חיידקים. את האחרון ניתן להשיג באמצעות מסגרת MICOM.

"באשר למודלים מטבוליים של אורגניזם יחיד, איכות התחזיות ממודלים קהילתיים תלויה בנתונים הבסיסיים שלהם. בפרט, מודלים קהילתיים רגישים להדגשת יתר על התפקידים המטבוליים של טקסיות מודל שנחקרו טוב יותר כמו E. coli. כדי לנטרל את ההטיות הללו, אומדן אי ודאות ברמת הקהילה ואימות ניסוי הם גם תחומים חשובים לפיתוח שיטות עתידיות."

לבסוף, מעט דברים מייגעים יותר וצורכים זמן/משאבים יותר מאשר להמציא מחדש את הגלגל. למרבה הצער, מחקר חוזר על עצמו לעתים קרובות בשל האופי הבין-תחומי של המחקר המטבולי של המעיים וההתקדמות המהירה. סטנדרטיזציה של מתודולוגיות לימוד ותכניות דיווח על תוצאות במקביל להקמת תשתית לשיתוף נתונים וסינתזת ידע עשויה לסייע להתגבר על מגבלה זו. ה-National Microbiome Data Collaborative הקים לאחרונה את התקן 'FAIR' (ניתן למצוא, נגיש, ניתן להפעלה, לשימוש חוזר) כדי לתת מענה לצורך זה. שירות התרגום הכימי (למטבולומיקה וכימיפורמטיקה) ו-SeqCode (עבור חיידקים) יכולים לטפל בפערים בסכמות נומנקלטוריות.

"בהתחשב בגודל והיקף המחקר על מטבוליזם של קהילה מיקרוביאלית, כלי אינפורמטיקה של ספרות ומודלים של שפת בינה מלאכותית יכולים להיות גם משאבים יקרי ערך. כלים כמו Babel ו-scite.ai יכולים לזהות ולהעריך הפניות רלוונטיות עבור שאילתות בין תחומים, כגון מחקרים על תחום מסוים. משפחת אנזימים, או אסוציאציות של מיקרואורגניזם מסוים עם חומר תזונתי מסוים היא PaperBLAST, המזהה פרסומים המזכירים גנים עם הומולוגיה של רצף גבוה לגן בעל עניין ושימשה להשערת פונקציות גנים חדשות.

מסקנות

למרות הצמיחה המשמעותית שלו לאחרונה, המחקר המטבולי במעיים נותר בחיתוליו. סטנדרטיזציה של מתודולוגיות ופופולריות של כלים חדישים יאפשרו מקסימום צמיחה נוספת תוך שימוש במינימום בזבוז זמן ומשאבים. העתיד הלא רחוק עשוי לספק לרופאים ולמטופלים את בסיס הידע הנדרש להתערבויות אישיות המבוססות על מערכות המעיים הייחודיות של האחרונים. תחזיות חישוביות נוכחיות, אימותים ניסויים והקישור בין שני קווי הראיות הללו עשויים להוכיח את הקפיצה הדורית הבאה בתחום הבריאות המותאמת אישית בעולם המחר.