Metabolomika
Metabolomika je relativně nový vědní obor, který doplňuje další strategie OMIC: genomika nám poskytuje (v ideálním případě) kompletní informace o všech genech v organismu (jeho genomu), transkriptomika nám říká, zda jsou geny aktivní (přepisovány do mRNA) a proteomika popisuje všechny proteiny v buňkách. Metabolomika na druhé straně poskytuje téměř úplný obraz malých molekul, metabolitů v buňce nebo obecněji ve vzorku. Na rozdíl od chemicky jednotné DNA, RNA a proteinů jsou metabolity charakteristické velmi různorodými strukturami různých fyzikálně-chemických vlastností. To zvyšuje složitost metabolomiky, ale rozhodli jsme se s touto výzvou vypořádat a užít si cestu.
Metabolity Actinomycetes
Aktinomycety jsou známé svou produkcí bioaktivních metabolitů. Ve skutečnosti mnoho dnes běžně používaných antibiotik, jako jsou linkosamidy (klindamycin), makrolidy (azithromycin), tetracykliny (doxycyklin) a glykopeptidy poslední instance (vankomycin), pochází z aktinomycet. Náš zájem spočívá ve zkoumání rozmanitosti těchto metabolitů v aktinomycetách, pochopení jejich vnitřní role v přírodě a objevování nových sloučenin. Naším cílem je vyhodnotit jejich bioaktivitu a posoudit jejich potenciální užitečnost v různých oblastech ve prospěch lidstva, což jde daleko za hranice antibiotik.
Společně s Janem Kopeckým a Markétou Marečkovou z Výzkumného ústavu rostlinné výroby v Praze jsme hodnotili strukturální diverzitu a ekologické aspekty metabolitů produkovaných aktinomycetami. Zkoumané kmeny byly izolovány z půdního prostředí po celé střední Evropě, každý s odlišnými charakteristikami, jako jsou úrovně pH a typy vegetace.
Relevantní články:
Fylogeneticky příbuzné půdní aktinomycety rozlišují izolační místa podle svých metabolických aktivit
Kopecký, J ; Kameník, Z ; (…); Sagová-Marečková, M
13. listopadu 2023 FEMS MICROBIOLOGY ECOLOGY 99 (12)
Naše laboratoř obsahuje sbírku více než 1000 půdních aktinomycet. Patří mezi ně kmeny izolované z půdy v Česku, na Slovensku a v Rakousku a také kmeny získané díky spolupráci po celém světě. Naši spolupracovníci pokrývají řadu zemí, včetně Francie, Německa, Řecka, Itálie, Španělska, Spojeného království, Bangladéše, Číny, Indie, Japonska, Koreje, Kuvajtu, Malajsie, Turecka, Jižní Afriky, Argentiny, Kanady a USA.
Je pozoruhodné, že kmeny v naší sbírce pocházejí z různých prostředí kromě půdy. Byly izolovány z kořenů, lišejníků, mořských hub, mangrovů, výkalů, jeskyní, katakomb a solných dolů. Významnou část těchto kmenů poskytl náš spolupracovník Amit Jaisi z Walailak University v Thajsku.
Spolu s Dr. Jaisi se zaměřujeme na objevování nových bioaktivních metabolitů pomocí přístupu řízeného biotestem. Naším cílem je otestovat tyto metabolity proti naší sbírce multirezistentních patogenů, včetně gramnegativních bakterií jako Acinetobacter baumannii , Pseudomonas aeruginosa a Klebsiella pneumoniae , které patří k nejnebezpečnějším patogenům vyskytujícím se v českých nemocnicích.
Zaujaly nás metabolity se vzácným motivem 4-alkyl-L-prolinu kvůli jejich zvýšené biologické aktivitě ve srovnání s analogy obsahujícími běžný L-prolin. To platí nejen pro antibiotikum linkomycin (vazba) na ribozomy, ale také pro protirakovinné pyrrolobenzodiazepiny (vazba na DNA), z nichž některé sdílejí tento motiv také. Přemýšleli jsme, zda existuje více metabolitů nesoucích tento cenný motiv, využili jsme naše znalosti o tom, jak jej aktinomycety syntetizují. Konkrétně jsme předložili geny zapojené do biosyntézy 4-alkyl-L-prolinu CluSeek a identifikovali jsme více než 200 nových genových shluků v rámci GenBank. Ty odpovídají více než 13 strukturně odlišným třídám (srovnejte tři dosud známé), které pravděpodobně obsahují motiv 4-alkyl-L-prolinu.
Díky rozsáhlé globální spolupráci máme nyní mnoho z těchto kmenů v rukou. Naše současné úsilí zahrnuje tradiční kultivaci aktinomycet, heterologní expresi biosyntetických genových klastrů, studie značení stabilních izotopů a metabolomiku hmotnostní spektrometrie k určení skutečných metabolitů. Následně budou tyto metabolity purifikovány pomocí preparativní vysokoúčinné kapalinové chromatografie.
Metabolom spojený se střevní mikroflórou
Naše těla, zejména naše střeva, hostí rozmanitou řadu mikrobů, které jsou souhrnně známé jako střevní mikrobiota. Výzkum těchto mikrobů odhalil jejich hluboký vliv na různé aspekty našeho zdraví a pohody. Hrají klíčovou roli při trávení, modulují náš imunitní systém a je zajímavé, že nové důkazy naznačují, že mohou dokonce nepřímo komunikovat s naším mozkem, což může mít dopad na některé psychiatrické diagnózy. V minulosti se výzkum mikrobiomu primárně snažil identifikovat „kdo“ obsahuje mikrobiotu (taxonomické profilování) nebo „jaký“ je její potenciál (analýza metagenomu, tj. jaké geny byly přítomny). Důraz se však přesunul k pochopení toho, „jak“ ekosystém funguje jako komplex. To zahrnuje zkoumání toho, jak mikrobiota koexistuje a interaguje mezi sebou a jejich hostitelským organismem nebo prostředím. Metabolomová analýza se ukazuje jako klíčová metoda pro řešení těchto dotazů. V naší laboratoři se zaměřujeme konkrétně na zkoumání souboru metabolitů produkovaných nebo metabolizovaných střevní mikroflórou, které označujeme jako střevní metabolom. Studiem tohoto metabolomu se snažíme získat hlubší vhled do komplexní souhry mezi naší mikrobiotou a naším celkovým zdravím.
In collaboration with the lab of Míla Kverka at IMIC (Radka Roubalová, Petra Procházková, Zuzana Jirásková Zákostelská, and Klára Kostovčíková), we study the role of gut microbiota in various disorders such as cancer, anorexia, Crohn´s disease, ulcerative colitis, and skin diseases.
Ve spolupráci s Veronikou K. Pettersenovou z Tromso University v Norsku a Martinem Schwarzerem z IMIC v Novém Hrádku zkoumáme metabolom myší spojený s mikrobiotou. S využitím bezmikrobních myší chovaných v Martinově laboratoři vyvíjíme metody kapalinové chromatografie a hmotnostní spektrometrie pro necílenou metabolomiku. Naše zaměření zahrnuje analýzu polárních metabolitů pomocí HILIC chromatografie nebo chromatografie na reverzní fázi po derivatizaci a zpracování dat pomocí open-source softwaru a platforem, jako je mzMINE, Sirius, GNPS nebo MetaboAnalyst. Ve spolupráci s Veroničinou laboratoří v současné době provádíme mezilaboratorní validaci metody LC-MS pro kvantifikaci mastných kyselin s krátkým řetězcem, prominentních metabolitů produkovaných střevní mikroflórou.
Příslušné papíry:
Zaujaly nás metabolity se vzácným motivem 4-alkyl-L-prolinu kvůli jejich zvýšené biologické aktivitě ve srovnání s analogy obsahujícími běžný L-prolin. To platí nejen pro antibiotikum linkomycin (vazba) na ribozomy, ale také pro protirakovinné pyrrolobenzodiazepiny (vazba na DNA), z nichž některé sdílejí tento motiv také. Přemýšleli jsme, zda existuje více metabolitů nesoucích tento cenný motiv, využili jsme naše znalosti o tom, jak jej aktinomycety syntetizují. Konkrétně jsme předložili geny zapojené do biosyntézy 4-alkyl-L-prolinu CluSeek a identifikovali jsme více než 200 nových genových shluků v rámci GenBank. Ty odpovídají více než 13 strukturně odlišným třídám (srovnejte tři dosud známé), které pravděpodobně obsahují motiv 4-alkyl-L-prolinu.
Díky rozsáhlé globální spolupráci máme nyní mnoho z těchto kmenů v rukou. Naše současné úsilí zahrnuje tradiční kultivaci aktinomycet, heterologní expresi biosyntetických genových klastrů, studie značení stabilních izotopů a metabolomiku hmotnostní spektrometrie k určení skutečných metabolitů. Následně budou tyto metabolity purifikovány pomocí preparativní vysokoúčinné kapalinové chromatografie.
