Multi-omics Analysis of Gut Microbiota, Metabolites and Aroma Components by Next-Generation Sequencer and GC/MS

Význam tématu

Bakteriální mikrobiota tlustého střeva a její metabolity významně ovlivňují trávení, imunitní funkce i celkové zdraví. Analýza vzájemných vztahů mezi mikrobiální komunitou, metabolity a aromatickými sloučeninami umožňuje včasnou detekci nerovnováhy a navržení cílených opatření ke zmírnění či prevenci chronických onemocnění.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo integrovat data o složení střevního mikrobiomu, metabolitech a aroma sloučeninách z lidských vzorků stolice a prozkoumat jejich vzájemné korelace pomocí moderních mnoho-omických analytických přístupů. Sledována byla skupina osmi subjektů (měsíční odběry u jednoho muže a jednorázové vzorky u 7 dalších osob), přičemž celkem bylo analyzováno 16 vzorků.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky byly analyzovány dvěma přístupy:

• NGS sekvenování 16S rRNA genů (MiSeq System, Illumina) pro stanovení až 250 bakteriálních druhů.
• GC/MS (GCMS-TQ8040 NX, Shimadzu) v kombinaci se Smart Metabolites Database™ Ver. 2 pro detekci ~488 primárních metabolitů a ~484 aroma složek za použití SPME Arrow.

Data byla vyhodnocena v softwarovém balíku Multi-omics Analysis Package s aplikací PCA, volcano plotu a projekcí na mapy metabolických drah.

Hlavní výsledky a diskuse

• PCA prokázala stabilní enterotypy jednotlivců nezávisle na dietě či zdravotním stavu, přičemž rozdíly mezi osobami převažovaly nad časovými změnami.
• Analýza pohlavních rozdílů odhalila akumulaci produktů degradace lysinu u žen a potlačení pyrimidinového metabolizmu u mužů.
• Korelace ukázaly, že Christensenella je spojena s aktivací biosyntézy taurinu a lysinové degradace a s tvorbou aroma sloučenin acetoinu či benzylalkoholu.
• Ruminococcus UCG-003 ovlivňuje metabolismus para-aminobenzoátu a purinů; jeho pokles vedl ke zvýšení fetálního zápachu (skatolu).

Přínosy a praktické využití metody

Integrovaný přístup umožňuje komplexní pohled na interakce mikrobiota–metabolity–aroma, který lze využít v klinické diagnostice, vývoji nutričních intervencí i v monitoringu vlivu léčebných či dietních opatření na střevní mikrobiom.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření kohorty a zahrnutí různých věkových či patologických skupin pro ověření obecnosti pozorovaných vzorců.
• Implementace metagenomiky a metatranskriptomiky pro detailnější mapování funkcí mikrobiomu.
• Vývoj cílených probiotik a prebiotik zaměřených na klíčové bakterie/metabolity spojené se zdravím.
• Personalizovaná medicína založená na časových změnách střevního ekosystému jedince.

Závěr

Aplikace moderních mnoho-omických analýz prokázala významné korelace mezi jednotlivými složkami střevního ekosystému a jejich metabolity. Výsledky podtrhují komplexitu střevní mikrobioty a zároveň otevírají cestu k přesnější personalizaci diagnostiky a intervence ve výživě či medicíně.

Reference

1. Sender A., Fuchs S., Milo R. Revised Estimates for the Number of Human and Bacteria Cells in the Body. Accessed Jan 9, 2024.
2. Antenor M. et al. Evolution of nutritional management of acute malnutrition. Accessed Jan 9, 2024.
3. Fujita et al. Sensitivity and specificity of salivary pipecolic acid in head and neck squamous cell carcinoma. Accessed Jan 9, 2024.
4. Fukuda S. et al. Bifidobacteria can protect from enteropathogenic infection through production of acetate. Accessed Jan 9, 2024.
5. Ivanov D. et al. A serpin from the gut bacterium Bifidobacterium longum inhibits eukaryotic elastase-like serine proteases. Accessed Jan 9, 2024.
6. Furusawa Y. et al. Commensal microbe-derived butyrate induces the differentiation of colonic regulatory T cells. Accessed Jan 9, 2024.
7. Goodrich J.K. et al. Human genetics shape the gut microbiome. 2014. Accessed Jan 9, 2024.
8. James A.T. Gas-liquid partition chromatography: separation and micro-estimation of volatile fatty acids. Accessed Jan 9, 2024.
9. Japanese Ministry of the Environment. Benzyl alcohol. Accessed Jan 9, 2024.
10. Crost E.H. et al. The mucin-degradation strategy of Ruminococcus gnavus: importance of intramolecular trans-sialidases. Accessed Jan 9, 2024.
11. Larson C.L. et al. Unique sugar metabolic pathways of bifidobacteria. Accessed Jan 9, 2024.
12. Kurata H. et al. Modulating AHR function offers therapeutic potential in gut immunity and inflammation. Accessed Jan 9, 2024.
13. Meyer F. et al. Association of the gut microbiota with cognitive function in midlife. Accessed Jan 9, 2024.
14. Fielding R.A. et al. Muscle strength is increased in mice colonized with microbiota from high-functioning older adults. Accessed Jan 9, 2024.