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如何破译微生物组的代谢机制,鉴定关键酶?

编者按:

测序技术的进步极大地促进了微生物组领域的发展。然而,测序结果难以揭示微生物及其基因与哪些代谢活动相关。那么,应该如何破译微生物的代谢活动呢?

今天,我们特别报道发表在HARVARD MAGAZINE杂志上关于哈佛大学化学家 Emily Balskus 的文章。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

② 复杂的微生物组

世界上最多才多艺的化学家就生活在我们体内。我们的身体是数以万亿计的微生物的家园,它们的基因数量是人类基因的 150 倍。比起人体细胞自身,更多的生物作用可能发生在这些微生物之间。这些微生物具有惊人的丰度和遗传多样性,可以产生大量产物,发挥多种功能,比如摄入和排出多种物质、参与多种生化过程等,这些功能对人类健康具有深远的影响。

许多微生物是有益的,它们能分解食物、制造维生素、抵御病原体入侵――包括科学家们最近发现的病毒。但有些微生物会增加人类罹患癌症、心血管疾病和糖尿病的风险,而另一些则与帕金森氏症等神经系统疾病有关。有些微生物甚至可以参与药物代谢过程,削弱治疗效果。

考虑到微生物这个微小生命群体的庞大规模和复杂性,如何区分微生物的“好”与“坏”,以及辨别微生物分别有哪些作用功效,显然是一件极具挑战性的工作。

自 2008 年起,化学家 Emily Balskus 博士就开始利用她在有机化学方面的多年研究经验和灵感探索上述问题,并开创了一种创新性的策略来解决该问题。通过分析与健康或疾病相关微生物组的代谢活动,Balskus 不仅研究了人类胃肠道微生物组,最近还开始对阴道微生物组展开了研究。

Balskus 博士表示,从广义上讲,胃肠道微生物具有高多样性是一件好的事情。胃肠道中存在的许多微生物可与宿主、摄入的食物发生相互作用,各种微生物之间也会发生互作,并形成代谢链和代谢网络,即一种微生物的代谢废物是另一种微生物的财富。

相比之下,在阴道中,这种微生物多样性反而是有害的。健康的阴道菌群,主要是由一个单一的细菌属――乳酸杆菌组成,该类微生物可以形成一个具有防护作用的微酸性环境。如果阴道微生态系统中定植了其他微生物物种,可能会产生不健康的后果,如引起早产、阴道疾病和增加艾滋病毒的感染风险等。

除了上述发现之外,关于微生物组对人类健康的影响,以及当出现健康问题时如何安全地干预微生物组等问题都还尚待回答,很显然,人类需要深入研究的内容还有很多。

然而,当前对微生物组的研究却受到了限制:基因测序技术可以揭示菌群的组成,但是这些 DNA 测序结果并不能告诉科学家特定物种或基因与哪些代谢活动有关。而鉴别不同微生物及其代谢产物的标准方法往往效果不佳,许多微生物从未成功地在培养皿中被培养出来过,它们主要是通过 DNA 测序为科学界所知的。

1g 土壤中有 10 亿个微生物,1L 海水中有 10 亿个微生物,这一事实足以暗示微生物的重要性。人类胃肠道最下段的结肠,其微生物的丰度和复杂性更是达到了峰值――是地球上最密集的殖民地之一。

弄清楚这些微生物的作用,已经成为Balskus博士整个职业生涯的核心挑战,她希望自己和其他微生物学家能在未来十年内逐步解决这个问题。

                                                                       图. Emily Balskus

③ 男性领域的女科学家

Balskus 是一位年轻的化学和生物化学教授,她曾获得了一系列的奖项和荣誉,多到一页简历都列举不完。在她的领域,Balskus 是一位罕见的女性科学家。她出生在俄亥俄州的哥伦布,在辛辛那提市长大。家里一共有四个孩子,她是家中的老大,父母都是老师。

Balskus 说:“教育是我们生活的一部分,家庭活动和生活节奏都是按照学年进行的。” 正是这种家庭教育环境,以及她对学习新事物的兴趣,促使她开发出了新的方法来解决微生物科学问题。

然而,在整个小学阶段,Balskus 都觉得自己在社会交际或智力水平都有所不足。直到她进入乌尔苏拉学院(Ursuline Academy)就读后,情况才有所转变。乌尔苏拉学院是一所天主教女子高中,拥有十分出色的科学课程。

Balskus 说:“这是一个精英的世界,在这里女性可以做任何事情――领导学生会、成为优秀运动员、在学业上出类拔萃,这对我建立自信心非常有帮助。” 她对化学的热情,源于一位特别的启蒙老师 Diane Rose。

Balskus 回忆到那是她读二年级的某一天,那天上的正是 Rose 老师的课,但是她早课前并没有做好充分的准备,只是浏览了一些必读材料。课上 Rose 老师就家庭作业相关内容对她进行了提问,Balskus 回答的支支吾吾,但还算是回答正确。Rose 老师课后就把 Balskus 留堂谈话了。

Balskus 回忆说,她当时的想法就是,“我有麻烦了”。但 Rose 老师没有斥责她,而是耐心考察了 Balskus 的能力。询问标准教学课程进度对 Balskus 来说是否太慢了,并提出可以为 Balskus 开设额外的项目和指导,作为标准课程的补充。

Balskus 说:“那次谈话给我留下了深刻的印象。” 让别人认识到她的才能和潜力具有“重大意义”。从那时开始,她就在想,如果她投入更多的时间和精力,那么她会取得什么样的成就。当她真的这么做的时候,化学变得越来越“迷人和有趣”。

不过,这是一个男科学家的领域。2000 年,她在威廉姆斯学院读大二的时候,两位教授不约而同地把她拉到一边,建议她 “深思熟虑”后再选择进修有机化学,因为这是一个很少有女性涉足并取得卓越成就的领域。

当时,每一所顶尖大学里 Balskus 只能想到一位女性有机化学家。不仅如此,Balskus 表示,“在哈佛大学,有机化学系里甚至没有女性,研究小组以男性占主导地位,以粗野而闻名。但这些都不妨碍我对科学的热爱。”

第二年的夏天,她来到俄亥俄州,为著名的化学家 Leo Paquette 工作。Leo Paquette 的实验室里从来没有招收过女大学生。作为“第一个女性”,Balskus 整个人都是懵的,感觉有点不确定。但事实证明,Leo Paquette 是一位了不起的导师,跟她一起工作的波多黎各留学生也都很棒。

她说:“Leo Paquette 在有机化学领域的道路上肯定面临着重重的障碍。但是无论是科学,还是个人角度来看,他真的让我觉得我属于那个实验室,属于那个领域。”

大学毕业后,Balskus 花了一年时间在剑桥大学攻读硕士学位,然后进入哈佛大学有机化学家 Eric Jacobsen(催化反应控制方向专家)实验室攻读博士。她专门研究一种化学反应,这种反应发生在在极短时间内,以至于有些人认为无法使用催化剂来控制这一反应。

但 Balskus 成功了,然后利用她自己开发的反应,成功复制出一种用海绵生产的天然产品。她构建分子的方式与天然的构建方式不同。产品本身可能并不重要,但她的工作成果对于概念证据意义非凡:它表明化学家可以研发出高效而优雅的方法来构建此类分子。

许多实验室生产的“天然产物”被用于生产药物(例如,水杨酸,最初用于制造阿司匹林),或促进药物的研发。对于 Balskus 而言,她的目标是寻找治疗人类微生物组的疗法,这项在化学合成领域实现的新技术只是众多研究中的一项而已。

在研究生期间,她开始每天跑步,并决定参加波士顿马拉松比赛。Jacobsen 特别支持她,并表示马拉松训练有助于科学生产,因为它需要克服障碍,朝着长期目标努力,而这有时是需要经受痛苦和不适才能实现的。Balskus 也发现马拉松确实很“有趣、充实,是缓解压力的有效方法。”

她从有机化学转向微生物学,是在与生物化学和分子药理学教授 Christopher T. Walsh(现退休)做博士后项目期间。在哈佛医学院的实验室里,Balskus 迷上了细菌生理学。她和Walsh教授的研究项目主要是关于蓝藻――blue-green algae 的研究。这些植物的祖先被认为是古代地球大气层氧气的来源,并最终使得地球上的生命得以繁衍生息。

Balskus 解释道:“蓝藻需要阳光才能生存,同时面临着暴露于破坏性紫外线(UV)辐射的生存挑战。”随着时间的推移,它们进化出一种合成天然防晒膜――这是 Balskus 最初的研究重点。Balskus 解释道:“你可以想象,为了吸收紫外线,而不损害细胞,它们就必须有一些非常有趣的化学结构。”

她的研究兴趣从保护性防晒膜,逐渐转变为产生这些化学结构的生物合成途径,以及催化关键反应的酶。酶是自然界的催化剂,是一种可以加速生物体内生化反应的生物分子。Balskus 开始研读蓝藻的生态学,以及它们是如何适应恶劣环境的。

④ 微生物功能基因的鉴定

Balskus 表示:“随着对合成化学家在实验室制造分子难度逐渐有了深刻的认识,我开始好奇大自然是如何制造分子的。随后,我又被微生物所吸引,因为它们可以利用天然蛋白――催化剂生产一些天然产物,而这些在实验室中是难以复制的。作为一名化学家,我很想知道它们是如何做到的。”

Balskus 说,Walsh 在她开始探索微生物工作机制之前,就发现了她对微生物日益增长的兴趣,并鼓励她在科德角 Woods Hole 的海洋生物实验室进修一个夏天。进修期间,她主修了微生物多样性速成课程,学习培养微生物(细菌、古细菌、真菌、原生生物和病毒),并对微生物进行 DNA 测序。

也正是在进修期间,Balskus 遇到到她所谓的“生物学中的下一个大问题”:微生物功能基因鉴定问题――微生物如何与其代谢活动相联系?在她以教授身份参加的头几次微生物组学学术会议上(2011 年她被任命为化学和生物化学助理教授),Balskus 是唯一一个不谈论微生物测序的人。相反,她主要讨论的内容为“酶的发现”,强调了科学家们并不知道他们已经开始或者完成测序的多种遗传物质究竟有什么作用。

Balskus 表示:“考虑到健康人体肠道微生物群中有 85%的基因还无法确定与哪种功能相关,这本身就存在很大的问题。同时肠道中还有约 70%的微生物没有被培养出来,使得科学家无法从培养皿中分离、培养和研究微生物组本身的功能特性。“

在基因池中,将一种微生物的基因和功能活性与另一种微生物的基因和功能活性进行分离,会因为基因功能活性的易变性,而变得更加具有挑战性。例如,一些大肠杆菌菌株是无害的,而有些大肠杆菌菌株则会使人病入膏肓。

Balskus 指出,这些菌株的基因差异可能超过 50%,但由于某些核心基因相似,所以这些菌株本身仍然被认为是一个物种。产生这些差异的部分原因在于,细菌擅长交换共同编码特定代谢功能的整组基因。即使表面上不相关的细菌,也可以通过称为“水平基因转移”过程共享特定的代谢途径。

鉴于上述这种复杂性,Balskus 意识到,为了研究微生物组的功能作用,将这些功能与编码它们的基因联系起来很重要,而不是仅仅将它们与特定的微生物物种联系起来。Balskus 解释说,知道产生特定分子的生物体本身可能没什么必要性。这很可能会引起大家的困惑:如果不同的微生物具有相似的能力,那么在一个肠道菌群中,某一特定分子的来源可能不止一种。

以一个化学家的角度来看,Balskus 认为重要的是产品和产生产品的途径,而不是微生物本身。Balskus 说:“我们需要开发能够直接检测目标功能的方法。”

Balskus 从化学家的角度来看待这个问题,专注于描述起作用的分子反应。Balskus 意识到,无论任何特定代谢产物的具体来源如何,她使用酶(生物催化剂)来控制微生物群落内的代谢反应――换句话说,就是开创一种疗法,一种无论特定代谢产物的来源是什么都能起效的方法。这些代谢物可能是有益的,例如葡萄糖、维生素或抗氧化剂;也可能是有害的,例如可以破坏 DNA 的自由基,只要可以推断出化学机制即可。

⑤ 生化研究:从胆碱开始

在 Balskus 的实验室里进行的一个复杂的生化研究的早期例子主要是关于胆碱的代谢――胆碱是构成全身细胞膜的脂质成分。

人类自身会产生胆碱,但并不足以维持最佳健康状态,因此人类需要通过食物来补充供应,例如蛋黄、乳制品和某些水果和蔬菜。但有些人群体内的微生物会将胆碱分解成有害的副产物,其中一种会在肝脏中转化为与心血管疾病、糖尿病以及肝肾疾病相关的化合物。

Balskus 对胆碱化学转化的关键步骤进行了鉴定,她猜测这可能与已经在被充分研究的细菌中自然发生的相关生物化学类似。鉴于上述假设,她的研究小组在人类微生物组中识别出一组从未发现过的基因。这些基因参与胆碱代谢,并最终清除产生有害代谢物的酶类。通过靶向代谢酶,即使酶的来源不详,也可能研究出一套预防微生物代谢胆碱产生危害的治疗方案。

最近,Balskus 的实验室在人类肠道微生物组中发现了代谢胆固醇的基因和酶,这可能有益于降低人体胆固醇水平。虽然这种代谢的副产物在很久之前已经在人类身上被发现,但涉及到的微生物及其代谢方法仍然是一个谜。

经过大量的研究,研究生 Doug Kenny 决定研究一种可以从猪肠道微生物组中培养出的可代谢胆固醇的微生物。他与 Balskus 和 Isselbacher 教授(Ramnik Xavier 胃肠病医学领域,Broad 研究所传染病和微生物组项目的主任)共同完成了生物化学转化研究,然后在人类身上寻找类似的化学物质。

胆固醇在人体微生物组中的代谢与另一种细菌有关。拥有可代谢胆固醇的微生物的个体(这些有机微生物从未被成功培养过)的粪便和血液中的胆固醇水平都较低。

Balskus 说:“如果我们能找到增加这种微生物活性的方法,或者把它引入到缺乏这种代谢途径的人身上,它可能会极大促进心脏病的治疗进展。”她指出,实现这一目标的方法有很多种,“其中之一就是设计一种微生物来消解胆固醇。”另一种方法,则是通过确定促进这些微生物生长的饮食因素,以自然的方式地刺激微生物的生长。

Balskus 看到这种健康促进型研究的潜力十分兴奋,她正将这种热情带到一个由盖茨基金会资助的新项目中,该项目专注于妇女健康研究。研究组试图鉴定影响阴道微生物组稳定性和弹性的特征指标,旨在从基础科学发现转向开发干预措施,以帮助预防早产和 HIV 感染。

Balskus 的任务是找出什么样的酶能促进有益乳酸菌菌株的生长,并发现哪些微生物与微生物组的失衡有关。Balskus 说:“一般情况下,我们并不知道具体的作用酶是什么,但一旦我们知道这种酶之后,将可能有助于我们筛选可用于益生菌的菌株,以促进有益微生物的生长。还有助于了解人类如何在不使用抗生素(对许多患者并无作用)的情况下,对微生态环境进行操控,以防止潜在有害微生物生长。”

在未来的十年里,Balskus 希望将更多化学知识,与来自临床研究的大数据以及肠道微生物大规模生物化学筛查结果相融合,期望向学生传递更多的知识内容。微生物靶向疗法――无论是小分子(药物)、微生物本身、微生物相关食物或益生菌――逐渐在向临床应用发展,她希望研究人员很快就会了解它们中的哪些有效及其作用机制。

Balskus 表示:“我认为这些作用机制信息很有用,它们将决定我们如何发展针对这些微生物的治疗方法”

Balskus 继续说道:“我深深被这些新项目所引住,因为它们让我有机会学习新事物并探索不同的领域。我非常喜欢人类微生物组研究,因为可以了解人类生物学。这对我的实验室来说也很新鲜,它提供了很多有趣的机会,让我继续成长,扩充了我的科学知识。”

原文链接:

https://www.harvardmagazine.com/2021/07/features-balskus-human-microbiome

作者|JONATHAN SHAW

编译|ninety

审校|617

编辑|笑D