Neues Tool kann Forschern helfen, den Stoffwechsel von Mikroorganismen besser zu verstehen

Forscher der University of California San Diego haben im Rahmen einer großen Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern auf der ganzen Welt ein neues Suchtool entwickelt, das Forschern helfen soll, den Stoffwechsel von Mikroorganismen besser zu verstehen. Mikroben spielen in praktisch allen biologischen Systemen und Umweltsystemen eine Schlüsselrolle. Allerdings erschweren die Einschränkungen der aktuellen Techniken zur Untersuchung des mikrobiellen Stoffwechsels die Entschlüsselung ihrer Interaktionen und Aktivitäten.

Die neue Studie, veröffentlicht am 5. Februar 2023 in Naturmikrobiologiegeht direkt auf diese Einschränkungen ein, die letztendlich unser Verständnis sowohl der menschlichen Gesundheit als auch der Umwelt verändern könnten.

Der Mensch ist ein wandelndes Ökosystem, in dem die Mikroben uns weit überlegen sind, aber wir wissen so wenig über die Metaboliten, die die Mikroben produzieren. Diese Technologie ermöglicht es uns, Mikroben ohne Vorkenntnisse den von ihnen produzierten Stoffwechselsignaturen zuzuordnen, was einen großen Fortschritt in unserer Fähigkeit darstellt, Mikroorganismen und ihre komplexen Beziehungen zu Menschen und Ökosystemen zu untersuchen.“

Pieter Dorrestein, PhD, leitender Studienautor, Professor für Pharmakologie und Pädiatrie an der UC San Diego School of Medicine und Professor an der Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences an der UC San Diego

Das bahnbrechende Tool, das die Wissenschaftler microbeMASST nennen, wurde von Wissenschaftlern des Collaborative Microbial Metabolite Center der UC San Diego entwickelt, einer vom NIH unterstützten Initiative, die darauf abzielt, ein international kuratiertes Repository mikrobieller Metabolomics-Daten aufzubauen, um Forschern bei der Untersuchung der komplexen Interaktion zwischen Mikroben zu helfen und Menschen.

Nützliche Mikroben spielen eine Schlüsselrolle für die menschliche Gesundheit, indem sie bestimmte Bereiche des Körpers besiedeln, darunter die Haut, wo sie uns vor äußeren Krankheitserregern schützen, und den Darm, wo sie zu wesentlichen Funktionen wie der Nährstoffaufnahme und der Regulierung des Immunsystems beitragen. Eine Störung der mikrobiellen Gemeinschaften in unserem Körper ist mit einer Vielzahl von Krankheiten verbunden.

„Diese Ressource wird uns helfen, die Rolle des Mikrobioms bei Gesundheitszuständen wie Lebererkrankungen, entzündlichen Darmerkrankungen, Diabetes, Arteriosklerose und anderen mechanistisch zu untersuchen“, fügte Dorrestein hinzu.

Mikroben stehen auch im Mittelpunkt wichtiger Umweltprozesse, etwa des Kohlenstoff- und Stickstoffkreislaufs. Wenn an diesen Prozessen beteiligte mikrobielle Gemeinschaften gestört werden, kann es für Ökosysteme schwieriger werden, Nährstoffe zu zirkulieren, was zu einer Vielzahl zerstörerischer ökologischer Ungleichgewichte führt.

Aufgrund ihrer entscheidenden Rolle in der Umwelt und ihrer Wechselwirkungen mit größeren Organismen ist der Stoffwechsel von Mikroben eine treibende Kraft in praktisch allen Aspekten der Biologie. Allerdings wird das enorme Stoffwechselpotenzial mikrobieller Gemeinschaften in modernen Experimenten, die den mikrobiellen Stoffwechsel im Allgemeinen nur aus einem weiten Blickwinkel betrachten, oft übersehen.

„Eine der Herausforderungen bei der Untersuchung von Mikroben auf molekularer Ebene besteht darin, dass es schwierig ist zu sagen, welche Mikroben welche Moleküle produzieren, es sei denn, man weiß bereits, wonach man sucht“, sagte Erstautorin Simone Zuffa, eine Postdoktorandin, die mit Dorrestein zusammenarbeitet. „Wenn man sich Mikrobenkolonien als überfüllte Partys mit vielen redenden Menschen vorstellt, können unsere aktuellen Experimente nur den Ton aufzeichnen, aber wir wollen einen Weg finden, diesen Ton zu entschlüsseln, um herauszufinden, wer was sagt.“

Um bei der Erstellung des neuen Suchtools zu helfen, das die Forscher microbeMASST nannten, sammelten Forscher des Collaborative Microbial Metabolite Center an der UC San Diego mehr als 100 Millionen Datenpunkte aus 60.000 verschiedenen mikrobiellen Proben, die von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt gesammelt wurden. Diese Datenbank wurde sorgfältig anhand von Community-Beiträgen und Metadaten kuratiert und umfasst Mikroben aus Pflanzen, Böden, Ozeanen, Seen, Fischen, Landtieren und Menschen.

Durch den Querverweis einer experimentellen Probe mit dieser umfangreichen Bibliothek einzelner Mikroben kann microbeMASST erkennen, welche Mikroben in dieser Probe vorhanden sind.

„Es gibt kein existierendes Tool, das das kann, und unseres kann es in Sekundenschnelle erledigen“, fügte Zuffa hinzu.

Da microbeMASST Mikroben in einer Probe ohne Vorkenntnisse identifizieren kann, sind die Forscher zuversichtlich, dass sich die Anwendungen der Technologie auf verschiedene Bereiche der Biologie erstrecken, wie z. B. Aquakultur, Landwirtschaft, Biotechnologie und die Untersuchung mikrobiell vermittelter Gesundheitszustände.

„Wir gehen davon aus, dass microbeMASST eine transformative Ressource für die Forschungsgemeinschaft der Biowissenschaften sein wird“, sagte Dorrestein. „Darüber hinaus wird sich das Tool mit der Zeit nur verbessern, wenn die Community mehr Daten sammelt, auf die das System verweisen kann.“