צוות מחקר עולמי איתר את האנזים המזין את ייצור המימן במעיים בריאים והראה כיצד דלדול שלו חוט מחדש רשתות אנרגיה מיקרוביאליות במחלת קרוהן, ומעצב מחדש את ההבנה שלנו לגבי חילוף החומרים במעיים.
מחקר: הידרוגנאז נפוץ תומך בצמיחה תסיסה של חיידקי מעיים באנשים בריאים. קרדיט תמונה: אור קריסטל / Shutterstock
במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת מיקרוביולוגיה של הטבעצוות בינלאומי של חוקרים מינף מחקר רב-גוני המשלב ניתוחים גנומיים, טרנסקריפטומיים וביוכימיים כדי לזהות את המניע העיקרי של ייצור מימן מולקולרי תסס (H₂) אצל אנשים בריאים. מחזור H₂ מולקולרי הוא תהליך מטבולי חיוני במעיים האנושיים, אך החיידקים והאנזימים הספציפיים האחראים לו נותרים בלתי פתורים.
רֶקַע
עשרות שנים של מחקר קבע כי המיקרוביום של המעי האנושי הוא כור מטבולי שוקק, הכולל טריליוני חיידקים שמתסיסים פחמימות שנצרכו. תהליך זה מביא לייצור אנרגיה, חומצות שומן מועילות קצרות שרשרת וכמויות אדירות של גזים, כולל מימן מולקולרי (H₂).
מחקרים עדכניים יותר, הנחשבים באופן קונבנציונלי למוצר פסולת פשוט, גילה כי H₂ מולקולרית היא מקור מזון חיוני לחיידקים אחרים (הידועים כ"הידרוגנוטרופים"), ובכך הופך את התסיסה תרמודינמית לטובה יותר.
דיסביוזה או חוסר איזון בייצור ובצריכה של H₂ קשורים יותר ויותר לבעיות בריאותיות חמורות, מהצטברות גזים בתסמונת המעי הרגיז (IBS) לזיהומים ואפילו לסרטן במערכת העיכול. יתר על כן, כמה פתוגנים, כמו סלמונלהנצפו כ"חוטפים" את H₂ מולקולרית כדי לתדלק את פלישתם למעי.
לרוע המזל, למרות חשיבותו, החיידקים והאנזימים הספציפיים המעורבים בייצור ובחילוף החומרים של H₂ נותרים בלתי פתורים.
על המחקר
המחקר הנוכחי נועד לתת מענה לפער הידע הזה וליידע מחקר עתידי והתערבויות במערכת העיכול על ידי מינוף גישה רב-כיוונית לבירור החיידקים והאנזימים המעורבים בייצור H₂ מרמת המערכת האקולוגית ועד לאנזים הבודד.
המחקר כלל מספר שלבים עוקבים: ראשית, בוצע ניתוח חישובי בקנה מידה גדול של 300 מטאנומים של צואה ו-78 מטאטרנסקריפטומים כדי להבהיר את הספקטרום המלא של גנים הקשורים למימן הקיימים ופעילים במעי האדם הבריא. ממצאים אלו אושרו באמצעות 102 מטאנומים מועשרים בביופסיה רירית מ-42 תורמים. יתר על כן, ניתוחים התמקדו בדגימות מהאילאום הטרמינל, המעי הגס והרקטום כדי לאשר עקביות בין אזורי המעיים.
לאחר מכן, כדי להדגים שגנים אלו היו פונקציונליים, המחקר בחר 19 מיני חיידקים מגוונים מהמעי האנושי וגידל אותם בתנאים אנאירוביים (ללא חמצן) כדי לדמות תנאי מעיים. מבחני כרומטוגרפיה גז שימשו למדידה מדויקת של כמות גז H₂ המיוצר על ידי כל מבודד חיידקים לאורך זמן.
לבסוף, מבחנים ביוכימיים (על תמציות תאי חיידקים) בוצעו כדי להבהיר את הקשר בין ייצור H₂ לבין פירובט:פרדוקסין אוקסדורודוקטאז (PFOR) תגובה, חלק מרכזי בתסיסה. באופן ספציפי, מצעי PFOR (פירובאט ו-CoA) ומעכבי נוספו כדי לראות כיצד רמות H2 הגיבו, נתמכים על ידי מודלים של AlphaFold2, ביטוי הטרולוגי וספקטרוסקופיה.EPR ראיות שאימתו את התחום דמוי הפרדוקסין של האנזים ואת התפקוד הקטליטי.
ממצאי מחקר
ממצאי מחקר גילו, לראשונה, כי האנזים קבוצת B (FeFe)-hydrogenase היה, ללא ספק, הגן הדומיננטי ליצר המימן במעי האדם הבריא. הערכות שפע מצאו שגנים מקבוצה B היו בממוצע 0.75 ± 0.25 עותקים לגנום, בערך פי 7.5 יותר בשפע מהאנזים מקבוצה A1 (0.10 ± 0.09 עותקים), שנחשב בעבר כיצרן H₂ המוביל.
מבחני פעילות תמכו בממצאים אלה, והראו כי גנים מקבוצה B היו גם הגנים המועילים ביותר (הפעילים) במטאטרנסקריפטום. אולם באופן בלתי צפוי, נחשפו מבחני פעילות Bacteroidesאחד מהסוגים הנפוצים ביותר במעיים, כמשתמש עיקרי באנזימי קבוצה B ולפיכך יצרן H₂ עיקרי, אסוציאציה שלא הייתה מוכרת בעבר.
ניתוחים של 19 בידודי החיידקים אישרו את הממצאים הללו, והוכיחו כי מינים המקודדים את הגן מקבוצה B, כולל שבעה שונים Bacteroides מבודדים, יצרו רמות גבוהות של גז H₂. לעומת זאת, Bacteroides stercorisזן שבאופן טבעי חסר כל גנים של הידרוגנזה, נצפה ללא H₂, בהתאם להיעדר גנים הניתנים לזיהוי.
באופן משמעותי ביותר, השוואה בין אנשים בריאים ל-46 חולים עם CD גילה כי הידרוגנאז מקבוצת B "הבריא" היה מדולדל באופן משמעותי (P = 0.0023) והוחלף במיוחד באנזימים אחרים: הידרוגנזה מקבוצת A1 גדל פי 2.8 (P = 6.6 × 10⁻⁷), קבוצת 4a פורמט הידרוגנליאז (נמצא לעתים קרובות ב- E. coli) גדל פי 5.2 (P = 6.8 × 10⁻⁶), וקבוצת 1d (NiFe)-hydrogenase גדלה פי 2.6 (P = 3.8 × 10⁻⁵). גנים לחמצון H₂ נשימתי, במיוחד קבוצת 1d (NiFe)-hydrogenases, גדלו אף הם, ותומכים במשק מימן מחודש במעיים הדלקתיים של CD חולים.
הביטוי גם השתנה במידה ניכרת בין אנשים, ותת הקבוצות המשולבות (FeFe) לא היו שונות באופן משמעותי בין CD ודגימות בקרה, המדגישות שהאסוציאציות הללו הן קורלטיביות ודורשות מחקר מכניסטי נוסף. סביר להניח שהידרוגנוטרופים נשימתיים שולטים בצריכת H₂ במעיים, בהתבסס על שפע גנים ונתוני שעתוק, אם כי עדיין יש צורך באימות ברמת הפעילות.
מסקנות
המחקר הנוכחי משכלל ומגבש את ההבנה המדעית של תהליך מטבולי בסיסי במעיים האנושיים, מזהה את קבוצת B (FeFe)-hydrogenase כמניע העיקרי של ייצור H₂ תסיסה אצל אנשים בריאים ומעלה את Bacteroides סוג לשחקן מפתח.
תגלית זו פותחת אפיקים חדשים להבנה, אבחון ופוטנציאל טיפול בהפרעות מעי דלקתיות מורכבות על ידי מינוף התערבויות המכוונות למיקרוביום המעי. זה גם מצביע על כך שהידרוגנוטרופים נשימתיים הם צרכנים עיקריים של H₂, מה שמדגיש את המורכבות של זרימת האנרגיה המיקרוביאלית במערכת האקולוגית של המעיים.
