För forskare som studerar de möjliga sambanden mellan människors hälsa och de biljoner mikrober som lever i vårt matsmältningsorgan, det som gör arbetet så spännande är också det som gör det utmanande.

Trots år av ansträngning, inklusive sekvensering av tarmmikrober från tusentals frivilliga, funktionerna hos den stora majoriteten av proteinerna som finns i denna mikrobiella gemenskap – så många som 85 procent – ​​förblir ett mysterium. Många av dessa proteiner är sannolikt enzymer, de biologiska katalysatorerna som gör att levande organismer kan utföra kemiska reaktioner. Vissa enzymer i den mänskliga tarmmikrobiomet kan utföra kemiska processer som är avgörande för hälsan men som för närvarande inte är kända.

Men ett nytt verktyg, utvecklad av Harvards Emily Balskus, Morris Kahn docent i kemi och kemisk biologi, i samarbete med Curtis Huttenhower, en docent i beräkningsbiologi och bioinformatik vid Harvard T.H. Chan School of Public Health, kan hjälpa forskare att mer exakt identifiera enzymer som finns i mikrobiomer och kvantifiera deras relativa överflöd. Tekniken beskrivs i en artikel publicerad i Vetenskap .

"Det här är en intressant sak att kunna göra, för med vår metod … förutom att identifiera kända mikrobiella enzymer, vi kan få information om distributionen och förekomsten av enzymer med okända aktiviteter, ", sade Balskus. "En stor utmaning som associeras med mikrobiomer har varit hur man kan förhöra den okarakteriserade genetiska potentialen hos dessa samhällen. Hur går man från gener i den mänskliga mikrobiomet till nya mikrobiella metaboliska aktiviteter? ... Och vi tror att det här kan vara ett verktyg för att göra det."

Beväpnad med den nya tekniken, Balskus och Huttenhower kunde för första gången inse hur vanligt ett okarakteriserat glycylradikalenzym var i den friska mänskliga tarmmikrobiomet. De kunde också belysa vad detta enzym faktiskt gör.

Balskuslaboratoriet studerar glycylradikalenzymer eftersom de är en av de mest förekommande proteinfamiljerna i den mänskliga tarmmikrobiomet.

"Detta okarakteriserade enzym var det näst vanligaste glycylradikalenzymet i varje person som sekvenserades som en del av Human Microbiome Project, och dess universella distribution antydde starkt att den gjorde något viktigt", sa Balskus. "Det visar sig ha en fascinerande funktion. Det tillåter mikrober att metabolisera en aminosyra som heter 4-hydroxiprolin, som är en viktig komponent i kollagen, det mest förekommande proteinet i människokroppen. Vi har upptäckt hur mikrober använder denna aminosyra för att växa i den anaeroba miljön i den mänskliga tarmen."

Med den informationen i åtanke, Balskus lade till, forskare kan undersöka en rad ytterligare frågor.

"Nu när vi har en uppskattning av att denna aktivitet är mycket riklig i denna mikrobiella livsmiljö, vi kan börja utforska ett antal nya idéer för varför det kan vara närvarande, och hur det kan påverka den mänskliga värden och andra mikrober, " Hon sa.

Utan denna typ av verktyg, Balskus sa, det är otroligt svårt att avslöja ny kemi i tarmmikrobiomet på grund av likheterna som delas av många enzymer.

"Vi var intresserade av utmaningen att särskilja medlemmar av samma enzymfamilj som har olika aktiviteter från varandra, " sa hon. "Medlemmar i en mänsklig familj kan vara nära släkt men har väldigt olika yrken, och detta är också fallet för enzymfamiljer. En familj av enzymer kan vara lika när det gäller deras aminosyrasekvenser, men de enskilda medlemmarna av familjen har ofta utvecklats till att utföra mycket olika kemiska omvandlingar."

Balskus hoppas att den nya tekniken kommer att tillåta forskare att identifiera och karakterisera nya enzymer i ett försök att bättre förstå de metaboliska processerna i mikrobiella samhällen och deras inverkan på omgivande organismer och miljöer.

"Jag hoppas att detta kommer att vara ett viktigt bidrag och ett steg mot att ta itu med detta enorma problem med okarakteriserade proteiner i mikrobiella samhällen, ", sa hon. "Detta är ett problem inte bara för den mänskliga tarmmikrobiomet, men för vilket mikrobiellt samhälle som helst. Och dessa samhällen finns bokstavligen överallt på jorden!"

Går framåt, Balskus tror att tekniken till och med kan kasta lite ljus över hur människans tarmmikrobiom påverkar människors hälsa.

"I framtiden, vi kan börja tänka på saker som jämförande analyser, ", sa hon. "I denna tidning tittade vi bara på data från friska människor. Men vi skulle verkligen vilja jämföra mängden enzymer i mikrobiomer från friska individer och patienter som lider av olika sjukdomar. Detta kan ge oss en inblick i hur metabola aktiviteter i tarmmikrobiomet kan förändras med sjukdom. Om det finns vissa enzymer som är särskilt rikligt förekommande hos patienter med en viss sjukdom, de kan vara potentiella terapeutiska mål."