Per i ricercatori che studiano le possibili connessioni tra la salute umana e i trilioni di microbi che abitano il nostro apparato digerente, ciò che rende il lavoro così eccitante è anche ciò che lo rende impegnativo.

Nonostante anni di sforzi, compreso il sequenziamento dei microbi intestinali di migliaia di volontari, le funzioni della stragrande maggioranza delle proteine ​​presenti in questa comunità microbica, fino all'85%, rimangono un mistero. Molte di queste proteine ​​sono probabilmente enzimi, i catalizzatori biologici che consentono agli organismi viventi di effettuare reazioni chimiche. Alcuni enzimi nel microbioma intestinale umano potrebbero eseguire processi chimici critici per la salute ma attualmente non riconosciuti.

Ma un nuovo strumento, sviluppato da Emily Balskus di Harvard, il Professore Associato Morris Kahn di Chimica e Biologia Chimica, in collaborazione con Curtis Huttenhower, professore associato di biologia computazionale e bioinformatica presso l'Harvard T.H. Chan School of Public Health, può aiutare i ricercatori a identificare in modo più accurato gli enzimi presenti nei microbiomi e a quantificarne l'abbondanza relativa. La tecnica è descritta in un articolo pubblicato su Scienza .

"Questa è una cosa interessante da poter fare, perché con il nostro metodo… oltre a identificare enzimi microbici conosciuti, possiamo ottenere informazioni sulla distribuzione e l'abbondanza di enzimi con attività sconosciute, " Balskus ha detto. "Una delle principali sfide associate ai microbiomi è stata come interrogare il potenziale genetico non caratterizzato di queste comunità. Come si passa dai geni nel microbioma umano alle nuove attività metaboliche microbiche? … E crediamo che questo potrebbe essere uno strumento per farlo”.

Armati della nuova tecnica, Balskus e Huttenhower sono stati in grado di apprezzare per la prima volta quanto fosse comune un enzima radicale glicilico non caratterizzato nel microbioma intestinale umano sano. Sono stati anche in grado di chiarire cosa fa effettivamente questo enzima.

Il laboratorio Balskus studia gli enzimi radicali glicilici perché sono una delle famiglie di proteine ​​più abbondanti nel microbioma intestinale umano.

"Questo enzima non caratterizzato era il secondo enzima radicale glicilico più abbondante in ogni persona sequenziato come parte del Progetto Microbioma Umano, e la sua distribuzione universale suggeriva fortemente che stesse facendo qualcosa di importante", ha detto Balskus. "Si scopre che ha una funzione affascinante. Permette ai microbi di metabolizzare un amminoacido chiamato 4-idrossiprolina, che è un componente importante del collagene, la proteina più abbondante nel corpo umano. Abbiamo scoperto come i microbi usano questo amminoacido per crescere nell'ambiente anaerobico dell'intestino umano".

Con queste informazioni in mente, Balskus ha aggiunto, i ricercatori possono indagare su una serie di domande aggiuntive.

"Ora che sappiamo che questa attività è molto abbondante in questo habitat microbico, possiamo iniziare a esplorare una serie di nuove idee sul perché potrebbe essere presente, e come potrebbe influenzare l'ospite umano e altri microbi, " lei disse.

Senza questo tipo di strumento, Balskus ha detto, è incredibilmente difficile scoprire una nuova chimica nel microbioma intestinale a causa delle somiglianze condivise da molti enzimi.

"Eravamo interessati alla sfida di distinguere i membri della stessa famiglia di enzimi che hanno attività diverse l'uno dall'altro, " ha detto. "I membri di una famiglia umana possono essere strettamente imparentati ma hanno occupazioni molto diverse, e questo è anche il caso delle famiglie di enzimi. Una famiglia di enzimi può essere simile in termini di sequenze di amminoacidi, ma i singoli membri della famiglia si sono spesso evoluti per eseguire trasformazioni chimiche molto diverse".

Balskus spera che la nuova tecnica consentirà ai ricercatori di identificare e caratterizzare nuovi enzimi nel tentativo di comprendere meglio i processi metabolici delle comunità microbiche e il loro impatto sugli organismi e sugli ambienti circostanti.

"Spero che questo sia un contributo importante e un passo verso l'affronto di questo enorme problema delle proteine ​​non caratterizzate nelle comunità microbiche, " ha detto. "Questo è un problema non solo per il microbioma intestinale umano, ma per qualsiasi comunità microbica. E queste comunità sono letteralmente ovunque sulla Terra!"

Andando avanti, Balskus ritiene che la tecnica potrebbe anche far luce su come il microbioma intestinale umano influisce sulla salute umana.

"Nel futuro, possiamo iniziare a pensare a cose come analisi comparative, " ha detto. "In questo documento abbiamo esaminato solo i dati provenienti da esseri umani sani. Ma vorremmo davvero confrontare l'abbondanza di enzimi nei microbiomi di individui sani e pazienti affetti da varie malattie. Questo potrebbe darci un'idea di come le attività metaboliche nel microbioma intestinale potrebbero cambiare con la malattia. Se ci sono alcuni enzimi particolarmente abbondanti nei pazienti con una data malattia, potrebbero essere potenziali bersagli terapeutici".