Mehr als die Hälfte der Zellen im menschlichen Körper sind nicht menschlich, sondern Mikroben. Jede Mikrobe stellt einzigartige Moleküle oder Metaboliten her, und deren Untersuchung ist entscheidend für das Verständnis der Rolle des Mikrobioms bei Gesundheit und Krankheit.
Aber wie kann man bei so vielen im Umlauf befindlichen Mikroben und Metaboliten – im wahrsten Sinne des Wortes Billionen – feststellen, welche Mikrobe welches Molekül hergestellt hat? Woher wissen Sie, ob ein Molekül von einer Mikrobe oder dem Wirt stammt?
Dank Forschern der University of California San Diego ist die Beantwortung dieser Fragen jetzt viel einfacher. Wie berichtet in Naturmikrobiologie Diesen Monat haben sie ein öffentliches Suchtool entwickelt, das Mikroben innerhalb von Sekunden den von ihnen produzierten Metaboliten zuordnet.
Es gibt kein anderes Werkzeug wie dieses, sagen die Forscher, und es könnte von entscheidender Bedeutung für die Weiterentwicklung der medizinischen Wissenschaft und mikrobiombasierter Therapien sein.
„In den letzten Jahrhunderten haben wir uns auf die vom Wirt stammenden Moleküle konzentriert“, sagte Studienautor Pieter Dorrestein, PhD, Pharmakologieprofessor an der UCSD. „Wir haben also einen ziemlich guten Bestand an vom Wirt oder Menschen stammenden Molekülen, aber einen ziemlich dürftigen Bestand an Molekülen, die Mikroben produzieren.“
Das Tool – microbeMASST genannt – wurde aus 100 Millionen Datenpunkten entwickelt, die von Wissenschaftlern weltweit per Crowdsourcing gesammelt wurden, und durchsucht eine Datenbank mit 60.000 Mikrobenmetaboliten. Wissenschaftler können eine komplexe Probe – Plasma, Gewebe, Fäkalien – entnehmen und anhand der Datenmerkmale der in der Probe vorhandenen Moleküle bestimmen, welche Mikroben diese Moleküle hergestellt haben.
„Das ist kraftvoll“, sagte Eric B. Taylor, PhD, außerordentlicher Professor für Molekularphysiologie und Biophysik am Carver College of Medicine der University of Iowa, Iowa. (Taylor war an der Studie nicht beteiligt.) „Dies kann die medizinische Wissenschaft voranbringen, indem neue mikrobiomische Mechanismen von Gesundheit und Krankheit ermittelt werden, die therapeutisch moduliert werden können.“ Das könnte Auswirkungen auf viele Krankheiten haben, „von der nichtalkoholischen Fettlebererkrankung über Alzheimer bis hin zu Diabetes und entzündlichen Darmerkrankungen.“
So funktioniert das Tool
Die Moleküle, die Mikroben produzieren, können unter anderem an der Kommunikation (Signalisierung), dem Stoffwechsel von Nährstoffen oder Medikamenten oder der Modulation von Entzündungen beteiligt sein. Sie können den örtlichen Aufenthaltsort beeinflussen oder reisen – Studien haben beispielsweise gezeigt, dass mikrobielle Moleküle im Darm das Gehirn beeinflussen können.
Die Untersuchung dieser Metaboliten wird als Metabolomik bezeichnet.
„Die Art der Metabolomik, die wir verwenden, ist im Wesentlichen eine ausgefallene Waage“, sagte Dorrestein, „bei der wir alle in der Probe vorhandenen Moleküle wiegen. Daraus können wir beginnen, Rückschlüsse auf die Struktur zu ziehen und sie zu verstehen.“
Bei dieser „ausgefallenen Skala“ handelt es sich um die Tandem-Massenspektrometrie, eine Analysetechnik zur Trennung und Messung des Gewichts von Molekülen.
Um das Suchwerkzeug zu verwenden, können Forscher diese Massenspektrometriedaten eingeben, die dem Computer die Signaturen oder Marker aller Moleküle in einer Probe mitteilen. „Man kann sie sich fast wie Barcodes vorstellen, die eine Verbindung zu bestimmten Molekülen herstellen“, sagte Dorrestein. Das Suchtool ermittelt dann, welche Mikroben die in den Daten enthaltenen Moleküle produzieren können.
Um das Tool zu testen, suchte das Team anhand von Proben menschlicher Organe nach Molekülen. Nachdem die Forscher die Mikroben identifiziert hatten, von denen sie stammten, nutzten sie öffentliche Daten, um den Ursprung der Mikroben zu ermitteln. „Wir hatten zum Beispiel ein paar hundert Moleküle, die im Gehirn gefunden wurden“, sagte Dorrestein. Die Ergebnisse zeigen einen „Austausch von Metaboliten vom Darm zum Gehirn“.
Was kommt als nächstes
Das Projekt ist Teil einer Initiative der National Institutes of Health zum Aufbau eines internationalen Archivs für mikrobielle Metaboliten und ihrer Funktionen, dem sogenannten Collaborative Microbial Metabolite Center.
Die Daten umfassen nicht nur Mikroben von Menschen und Tieren, sondern auch Pflanzen, Böden, Ozeane und Seen. Auch wenn der Schwerpunkt dieser Forschung auf der menschlichen Gesundheit liegt, könnte sie uns auch dabei helfen, andere Ökosysteme zu verstehen.
Durch den Vergleich der Ergebnisse mit Genomdaten könnte das Tool dazu genutzt werden, herauszufinden, welche mikrobiellen Gene auch bestimmte Metaboliten produzieren, fügte Taylor hinzu.
Als nächstes planen die Forscher, microbeMASST mit Daten über die Wirkung von Medikamenten, Krankheitszuständen, Diätinterventionen und Alter auf das Mikrobiom zu verknüpfen, sagte Dorrestein.
