microbeMASST微生物質譜搜索工具 探索微生物代謝暗物質

微生物占地球生物量的15%以上，它們通過產生的小分子影響著生態，遍布地球的各個角落盡管微生物代謝物在環境中無處不在，也很重要，但研究人員很難在野外和實驗臺上精確定位微生物代謝物。公共數據庫可以幫助科學家破譯一些微生物分子，但它們通常**于研究充分的物種。

為了揭示微生物暗物質，研究人員開發了微生物質譜搜索工具(microbeMASST)，通過將樣品與來自6萬多個微生物培養的公開記錄進行比較，一次性檢測出數百種微生物代謝物。最初開發microbeMASST是為了研究海洋的微生物，隨后研究人員將microbeMASST擴展到人類微生物環境，以探索微生物組對疾病的影響。研究小組在《Nature Microbiology》雜志上發表了他們的成果。

科學家很少能全面了解微生物代謝組。例如，研究人員懷疑腸道細菌產生了消化道中的大部分代謝物，因為它們擁有的基因數量大約是人類基因組的100倍。然而，當科學家收集糞便樣本時，他們通常只能識別10%的代謝物。“在這10%的注釋中，真正的微生物分子的比例實際上不到1%，”加州大學圣地亞哥分校的計算生物學家、該研究的合著者Simone Zuffa說。

西蒙弗雷澤大學(Simon Fraser University)的分析化學家Roger Linington評價說：“傳統上，人們會一次研究一種微生物，并分離出單個分子。”這使得難以確定有多少微生物產生有問題的代謝物。“這項新研究提供了一個將分子置于生態環境中的機會。”

Anelize Bauermeister是加州大學圣地亞哥分校的海洋微生物學家，也是這項研究的合著者，她研究了海洋中的微生物，包括那些在珊瑚礁上定居的微生物。她說：“在海洋微生物中發現代謝物真的很困難，因為它們很難收集，也很難在實驗室培養。”即使她成功地學會了培養這些生活在海洋中的生物，她也很難分辨出微生物、珊瑚或其他水下來源是否會產生哪些代謝物。為了克服這個問題，她和她的同事們開始開發microbeMASST，這是一種可以從來自不同環境樣本中破譯哪些代謝物來自微生物。為了讓這個搜索工具能夠識別各種細菌，研究小組匯編了從動物、人類、湖泊、海洋、植物和土壤中發現的微生物中收集的代謝組學數據。整個世界都是他們的微生物。

然后，他們在一個新的環境和物種——實驗室小鼠——中測試microbemass。在小鼠體內，宿主細胞和常駐微生物產生代謝物，但microbeMASST檢測的是那些只由細菌產生的代謝物。他們分析了一個數據集，其中包含來自一系列器官和生物體液的代謝物，包括正常小鼠和無菌小鼠的大腦、心臟、肝臟、血液和糞便。由于無菌小鼠缺乏微生物，Zuffa推測任何在正常小鼠中發現但在無菌小鼠中缺失的代謝物一定來自微生物。通過這種方法，他們鑒定出了1673種代謝物，這些代謝物完全由生活在宿主體內的細菌和真菌產生。

“如果它們真的是微生物產生的，它們也應該在其他研究中能發現，”Zuffa說。為了檢驗他們發現的穩健性，他們將正常小鼠與服用抗生素的小鼠進行了比較。他們的新分析再現了621種相同的代謝物，其中512種是不使用抗生素的小鼠所獨有的。該工具可以作為尋找微生物代謝物的起點，但需要對實驗室培養的微生物進行進一步的生化分析，以確認這些分子確實來自細菌。

microbeMASST對于探索微生物及其代謝物在健康和疾病中的作用的人類微生物組研究可能是有價值的。使用人類數據集，Zuffa和他的同事比較了健康人和患有不同疾病的人的樣本，包括炎癥性腸病——這通常與微生物群的破壞有關。從這些樣本中，他們觀察到在小鼠數據中發現的512種微生物代謝產物中的455種，這表明該搜索工具也可以追蹤人體中的數百種微生物代謝產物。

與他們對小鼠的分析一樣，他們研究了一系列器官和體液，但研究結果并不一定表明微生物存在于所有這些地方。相反，他們指出，腸道中產生的微生物代謝物可能會在體內傳播，并引發全身效應。

盡管在研究微生物代謝物方面取得了長足的進步，但目前許多分子仍然是暗物質。搜索工具**于公開可用的代謝組學數據，這在微生物-代謝物匹配中造成了瓶頸。然而，Linington希望這個工具能夠鼓勵科學界將他們的數據開放獲取。

另一個限制在于科學家如何收集代謝組學數據?？茖W家通常使用質譜儀將代謝物電離成帶電的碎片，然后測量它們的質量和電荷，以破解其化學結構背后的密碼。Linington說:“并不是所有的分子都同樣容易被質譜檢測到，這是因為不同的化合物結構在儀器中有不同的電離傾向。”所以一些代謝物仍然在視線之外。

研究人員計劃開發其他搜索工具，使其更容易找到其他生命形式的代謝物。“我們正在開發一種名為plantmass的植物版本，它會告訴你特定分子是否實際上是由特定植物衍生的。”

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