האומץ שלנו הוא ביתם של טריליוני חיידקים, ומחקר בעשורים האחרונים קבעו עד כמה הם חיוניים לפיזיולוגיה שלנו – בתחום הבריאות והמחלות. מחקר חדש של חוקרי EMBL היידלברג מראה כי חיידקי הבטן יכולים להביא לשינויים מולקולריים עמוקים באחד האיברים הקריטיים ביותר שלנו – המוח.
המחקר החדש, שפורסם בכתב העת טבע ביולוגיה מבנית ומולקולרית, הוא הראשון להראות שחיידקים החיים במעיים יכולים להשפיע על האופן בו משתנים חלבונים במוח על ידי פחמימות – תהליך הנקרא גליקוזילציה. המחקר התאפשר בשיטה חדשה שהמדענים פיתחו – DQGLYCO – המאפשרת להם ללמוד גליקוזילציה בקנה מידה וברזולוציה גבוהה בהרבה מאשר מחקרים קודמים.
דרך חדשה למדידת גליקוזילציה
חלבונים הם סוסי עבודה של התאים שלנו ואבני הבניין העיקריות שלהם. לעומת זאת, סוכרים, או פחמימות, בין מקורות האנרגיה העיקריים של הגוף. עם זאת, התא משתמש גם בסוכרים כדי לשנות כימית חלבונים, ומשנה את הפונקציות שלהם. זה נקרא גליקוזילציה.
"גליקוזילציה יכולה להשפיע על האופן בו התאים נצמדים זה לזה (הידבקות), כיצד הם נעים (תנועתיות) ואפילו איך הם מדברים זה עם זה (תקשורת)", הסביר קלמנט פוטל, המחבר הראשון של המחקר ומדען המחקר של צוות סאוויצקי. "זה מעורב בפתוגנזה של מספר מחלות, כולל סרטן והפרעות עצביות."
עם זאת, באופן מסורתי, גליקוזילציה הייתה קשה לשמצה. רק חלק קטן של חלבונים בתא הם גליקוזיליים ומתרכזים מספיק מהם במדגם ללימוד (תהליך שנקרא 'העשרה') נוטה להיות מעובד, יקר וגוזל זמן.
עד כה לא ניתן היה לבצע מחקרים כאלה בקנה מידה שיטתי, באופן כמותי ועם ההתרבות הגבוהה. אלה האתגרים שהצלחנו להתגבר על השיטה החדשה. "
מיכאיל סביצקי, מנהיג צוות, מדען בכיר וראש מתקן הליבה של פרוטאומיקה ב- EMBL היידלברג
DQGLYCO משתמשת בקלות בחומרים מעבדה זמינים ובעלות נמוכה, כגון חרוזי סיליקה פונקציונליים, כדי להעשיר באופן סלקטיבי חלבונים גליקוזיליים מדגימות ביולוגיות, אשר לאחר מכן ניתן לזהות ולמדוד במדויק. החוקרים יישמו את השיטה על דגימות רקמות מוח מעכברים, ויכלו לזהות למעלה מ -150,000 צורות גליקוזיליות של חלבונים ('חלבונים'), עלייה של פי 25 בהשוואה למחקרים קודמים.
האופי הכמותי של השיטה החדשה פירושו שחוקרים יכולים להשוות ולמדוד הבדלים בין דגימות מרקמות שונות, קווי תאים, מינים וכו '. יש לשנות על ידי רבים (לפעמים מאות) קבוצות סוכר שונות.
אחת הדוגמאות הנפוצות ביותר למיקרו -הטרוגניות היא קבוצות דם אנושיות, כאשר נוכחותן של קבוצות סוכר שונות על חלבונים בתאי דם אדומים קובעת את סוג הדם (A, B, O ו- AB). זה ממלא תפקיד מרכזי בהחלטת ההצלחה של עירויי דם מאדם אחד למשנהו.
השיטה החדשה אפשרה לצוות לזהות מיקרו -טרוגניות כזו במאות אתרי חלבון. "אני חושב שהשכיחות הנרחבת של מיקרו -טרוגניות היא משהו שאנשים תמיד הניחו, אך מעולם לא הוכח בבירור, מכיוון שאתה צריך להיות מספיק כיסוי של חלבונים גליקוזיליים כדי להיות מסוגל להצהיר", אמרה מירה בורצ'ר, מחברת ראשונה נוספת של לימוד ותלמיד דוקטורט של צוות סאוויצקי.
מהמעי למוח
בהתחשב בדיוק וכוח השיטה, החוקרים החליטו להשתמש בה כדי להתייחס לשאלה ביולוגית יוצאת מן הכלל. בשיתוף פעולה עם קבוצתו של מייקל צימרמן ב- EMBL, הם בדקו בהמשך האם למיקרוביומה של הבטן הייתה השפעה כלשהי על חתימות הגליקוזילציה בהן צפו במוח. גם צימרמן וגם סאוויצקי הם חלק מהנושא הרוחבי של מערכות אקולוגיות מיקרוביאליות ב- EMBL, שהוצג על ידי תוכנית ה- EMBL 2022-26 'מולקולות למערכות אקולוגיות'.
פוטל אמר כי "ידוע שמיקרוביומות בטן יכולות להשפיע על פונקציות עצביות, אך הפרטים המולקולריים אינם ידועים ברובם". "גליקוזילציה מעורבת בתהליכים רבים, כמו העברה עצבית והנחיות אקסון, ולכן רצינו לבדוק אם זה היה מנגנון שבאמצעותו חיידקי הבטן השפיעו על מסלולי מולקולריים במוח."
מעניין לציין כי הצוות מצא כי בהשוואה ל'עכברים נטולי נבט ', IE עכברים שגדלו בסביבה סטרילית כך שהם חסרים לחלוטין כל מיקרובים בגופם ובגופו, לעכברים המתיישבים עם חיידקי מעיים שונים היו דפוסי גליקוזילציה שונים במוח. הדפוסים שהשתנו היו ניכרים במיוחד בחלבונים הידועים כחשובים בתפקודים עצביים, כמו עיבוד קוגניטיבי וצמיחת אקסון.
מערכי הנתונים של המחקר זמינים באופן גלוי באמצעות אפליקציה ייעודית חדשה לחוקרים אחרים. בנוסף, הצוות גם סקרן אם ניתן להשתמש בנתונים כדי ליידע תחזיות לגבי אתרי גליקוזילציה, במיוחד במינים שונים. לשם כך הם משתמשים בגישות למידת מכונות כמו Alphafold-הכלי מבוסס AI לחיזוי מבני חלבון המוכרים בפרס נובל 2024 לכימיה.
"על ידי אימון הדגמים בנתוני העכבר, אנו יכולים להתחיל לחזות מה יכול להיות השונות של אתרי גליקוזילציה בבני אדם, למשל" לִלמוֹד. "זה יכול להיות שימושי מאוד לאנשים הלומדים אורגניזמים אחרים כדי לעזור להם לזהות אתרי גליקוזילציה בחלבוני העניין שלהם."
החוקרים פועלים גם ליישום השיטה החדשה כדי לענות על שאלות ביולוגיות מהותיות יותר ולהבנת התפקיד התפקודי גליקוזילציה ממלאת בתאים.
