„Szkoląc modele na danych uzyskanych od myszy, możemy zacząć przewidywać, jakie mogą być różnice w miejscach glikozylacji u ludzi” – mówi Martin Garrido, współautor badania i badacz w grupach Savitskiego i Saeza-Rodrigueza w EMBL. „To może okazać się niezwykle pomocne dla naukowców badających inne organizmy.”
Odkrycie było zaskakujące: okazało się, że myszy wychowane w sterylnym środowisku, pozbawione jakichkolwiek drobnoustrojów (tzw. myszy germ-free), miały wyraźnie różniące się wzorce glikozylacji w mózgu w porównaniu do myszy kolonizowanych przez bakterie jelitowe. Rozbieżności te były szczególnie zauważalne w białkach odgrywających kluczową rolę w przetwarzaniu informacji i wzroście neuronów.
Nowa metoda badania glikozylacji
Nowa technika, bazująca na wykorzystaniu łatwo dostępnych i tanich materiałów laboratoryjnych, takich jak funkcjonalizowane kulki krzemionkowe, umożliwiła naukowcom identyfikację ponad 150 000 form glikozylowanych białek – to aż 25-krotny wzrost w porównaniu do wcześniejszych badań. DQGlyco pozwala także na badanie tzw. mikroheterogeniczności, czyli sytuacji, w której ten sam fragment białka może być modyfikowany przez różne grupy cukrowe.
Zaintrygowani precyzją nowej metody, badacze postanowili sprawdzić, czy mikrobiom jelitowy może oddziaływać na wzorce glikozylacji obserwowane w mózgu. Przeprowadzili eksperyment we współpracy z grupą badawczą Michaela Zimmermanna z EMBL.
Badanie glikozylacji wiązało się dotąd z wieloma trudnościami. Tylko niewielka część białek w komórkach ulega temu procesowi, a izolowanie ich w odpowiednich ilościach do badań było czasochłonne i kosztowne. Nowa metoda DQGlyco pozwala na selektywne wzbogacenie próbek w glikozylowane białka, które można następnie dokładnie zidentyfikować i zbadać.
„Wiemy, że mikrobiom jelitowy może wpływać na działanie układu nerwowego, ale wciąż nie znamy dokładnych mechanizmów tego procesu” – mówi Potel. „Glikozylacja odgrywa ważną rolę w przewodnictwie nerwowym i wzroście aksonów, dlatego chcieliśmy sprawdzić, czy może ona stanowić ścieżkę łączącą bakterie jelitowe z funkcjami neurologicznymi.”
Zebrane dane są już publicznie dostępne przez dedykowaną aplikację, co umożliwia ich wykorzystanie przez innych naukowców. Dodatkowo, zespół badaczy analizuje teraz możliwość wykorzystania algorytmów uczenia maszynowego, takich jak AlphaFold – narzędzie nagrodzone Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii w 2024 roku – do przewidywania miejsc glikozylacji w różnych gatunkach.
Badanie opublikowane w czasopiśmie Nature Structural and Molecular Biology jako pierwsze pokazuje, że mikroorganizmy zamieszkujące jelita mogą wpływać na to, jak białka w mózgu są modyfikowane przez węglowodany – proces ten nazywa się glikozylacją. Odkrycie to stało się możliwe dzięki nowej metodzie opracowanej przez badaczy – DQGlyco, umożliwiającej analizę glikozylacji na niespotykaną dotąd skalę i z wyjątkową precyzją.
Wpływ mikroflory jelitowej na mózg
„Glikozylacja wpływa na przyczepność komórek (adhezję), ich zdolność do poruszania się (motorykę), a nawet na komunikację między nimi” – wyjaśnia Clément Potel, główny autor badania i naukowiec z zespołu Savitskiego. „Jest również zaangażowana w rozwój licznych chorób, w tym raka oraz schorzeń neurologicznych.”
Badacze planują także zastosowanie nowej metody do dalszego rozszyfrowania fundamentalnych procesów biologicznych i lepszego zrozumienia roli glikozylacji w funkcjonowaniu komórek.
Ludzkie jelita są domem dla bilionów bakterii, które odgrywają kluczową rolę w naszym zdrowiu i funkcjonowaniu organizmu. W ostatnich dziesięcioleciach badania dowiodły, że mikroflora jelitowa ma istotny wpływ na nasze procesy fizjologiczne, zarówno w stanach zdrowia, jak i choroby. Najnowsze odkrycie naukowców z EMBL Heidelberg ujawnia, że bakterie jelitowe mogą wywoływać znaczące zmiany na poziomie molekularnym w jednym z najważniejszych narządów ludzkiego ciała – mózgu.
Białka są podstawowymi elementami komórek i odpowiadają za wiele kluczowych procesów biologicznych. Węglowodany, oprócz funkcji energetycznej, mogą także modyfikować białka, wpływając na ich działanie. Ten proces, zwany glikozylacją, jest niezbędny dla prawidłowego funkcjonowania organizmu.
„Do tej pory prowadzenie takich badań na dużą skalę oraz w sposób ilościowy było niemożliwe. Dzięki DQGlyco pokonaliśmy te przeszkody” – mówi Mikhail Savitski, lider zespołu badawczego i kierownik Proteomics Core Facility w EMBL Heidelberg.
Przykładem mikroheterogeniczności jest system grup krwi, który opiera się na różnicach w glikozylacji białek obecnych w czerwonych krwinkach – to właśnie one decydują o grupie krwi (A, B, O i AB) oraz wpływają na zgodność transfuzji krwi.
