Menyelidiki Bagaimana Mikrobioma Mempengaruhi Kesehatan Kita – Majalah Time.com

Probe kimia khusus menandai protein yang mengganggu perawatan kanker, antara lain.

Lebih dari setengah sel pada atau di dalam tubuh kita adalah mikroba. Mikroba membantu kita mencerna makanan, memengaruhi suasana hati kita, dan bertahan melawan patogen yang menyerang.

Selama hampir 20 tahun, para ilmuwan telah menghubungkan bagaimana komunitas mikroba kita yang kompleks—disebut mikrobioma—sangat penting untuk kesehatan dan bagaimana mereka terkait dengan penyakit.

Sekarang mereka ingin menyelidiki dengan tepat apa yang dilakukan mikroba di dalam tubuh kita di sana. Para ilmuwan mulai memahami bahwa informasi tentang fungsi mikroba di usus seseorang, misalnya, dapat memberikan informasi spesifik tentang kesehatan pasien. Menyesuaikan perawatan berdasarkan penanda pribadi kesehatan atau penyakit adalah dasar untuk masa depan perawatan medis yang dikenal sebagai pengobatan presisi.

Ahli biologi kimia di Laboratorium Nasional Pacific Northwest (PNNL), dipimpin oleh Aaron Wright, telah mengembangkan probe kimia khusus untuk mempelajari fungsi mikroba pada mikrobioma manusia, hewan, serangga, dan lingkungan.

“Kita dapat menggunakan pemeriksaan kimia yang sama untuk mengukur jumlah aktivitas dalam campuran enzim mikroba, dalam sel hidup, dan dalam kumpulan mikroba dalam suatu komunitas,” kata Wright. Tim PNNL telah mengembangkan beberapa alat molekuler ini untuk dikomersialkan untuk diagnostik klinis di masa depan.

Awal tahun ini, perusahaan rintisan Enzymetrics Bioscience, Inc. melisensikan dua platform pemeriksaan kimia dari PNNL untuk mengembangkan tes untuk fungsi mikrobioma usus. Upaya komersialisasi ini juga dinominasikan untuk penghargaan yang mengakui kemitraan yang berhasil antara laboratorium federal dan industri.

“Salah satu platform pemeriksaan kimia berlisensi telah dirancang untuk menganalisis sampel tinja manusia untuk aktivitas mikrobioma usus tertentu yang dapat memengaruhi hasil pengobatan kanker,” kata Jennifer Lee, manajer komersialisasi di PNL. “Informasi dari platform PNNL juga dapat membantu dokter menyempurnakan panduan terapi mereka untuk penyakit gastrointestinal dan gangguan imunologis.”

Menyelidiki fungsi protein umpan

Untuk setiap sel, protein melakukan pekerjaan yang membuatnya tetap berfungsi. Pekerjaan ini sering melibatkan melakukan transformasi kimia tertentu yang terlibat dalam metabolisme atau pensinyalan sel. Tetapi hanya karena protein hadir dalam sel tidak berarti protein itu aktif pada waktu tertentu. Para peneliti PNNL memiliki cara untuk menandai protein aktif, yang disebut profil protein berbasis aktivitas.

“Pertama kami merancang probe kimia untuk menjadi umpan molekuler untuk protein aktif yang melakukan transformasi tertentu,” kata Wright. “Kemudian kami memberi label pada umpan sehingga kami dapat menangkapnya dari kompleksitas komunitas mikroba.”

Ahli kimia membuat probe kimia khusus yang bertindak sebagai umpan untuk protein aktif. Teknik ini dapat diterapkan pada sampel dari penelitian lingkungan serta kotoran manusia. Gambar oleh Cortland Johnson | Laboratorium Nasional Pacific Northwest

Salah satu platform probe kimia berlisensi baru-baru ini mendeteksi protein mikroba yang menyebabkan efek samping dari obat-obatan tertentu. Sama seperti sel-sel kita sendiri yang memproses obat-obatan yang kita ambil untuk mengobati gejala atau penyakit, mikroba di usus kita juga memproses obat-obatan itu. Ketika mikroba usus menghasilkan enzim beta-glucuronidase, metabolisme mereka dapat menyebabkan masalah.

Ahli biologi kimia Aaron Wright memimpin tim ilmuwan yang merancang dan membangun probe kimia untuk membuat profil protein aktif dalam sel dan mikrobioma. Foto oleh Andrea Starr | Laboratorium Nasional Pacific Northwest

Inilah alasannya: Saat sel manusia memproses obat, mereka menempelkan gula tertentu padanya untuk menandainya untuk dibuang. Beberapa bakteri di usus menghasilkan beta-glucuronidase. Ketika obat manis mencapai bakteri ini, enzim itu memotong gula. Akibatnya, obat terus beredar di dalam tubuh lebih lama dari yang dimaksudkan, yang dapat menyebabkan efek samping.

Misalnya, obat irinotecan merupakan obat lini pertama untuk kanker kolorektal karena sangat efektif. Namun, jika pasien mengalami peningkatan kadar beta-glucuronidase dari mikrobioma usus mereka, maka efek samping dari obat ini adalah diare parah. Diperlukan waktu berminggu-minggu dari waktu perawatan yang hilang untuk mengalihkan seseorang ke obat lain yang tidak terpengaruh oleh beta-glucuronidase.

Untuk membangun sebuah probe kimia untuk mendeteksi aktivitas beta-glucuronidase dalam tes diagnostik, ilmuwan PNNL pertama kali mengembangkan molekul yang menyerupai gula yang dikenali enzim ini. Untuk mendeteksi di mana probe terikat, para ilmuwan menambahkan label fluoresen ke sampel. Label ini mengklik probe yang terikat enzim dan bersinar. Para ilmuwan kemudian mengukur jumlah fluoresensi dari sampel untuk mengukur jumlah beta-glucuronidase aktif.

Tim telah menyempurnakan probe dan teknik persiapan sampel mereka untuk menggunakan platform ini dengan sampel tinja manusia. Penelitian dan pengembangan lanjutan melalui lisensi ini berupaya mengubah pendekatan dari eksperimen laboratorium menjadi tes diagnostik yang andal untuk klinik.

Aplikasi termasuk mikrobioma lingkungan dan ilmu paparan

Kekuatan dari Teknologi penyelidikan kimia PNNL adalah dalam mendeteksi dan mengukur jumlah aktivitas protein dalam sampel kompleks seperti mikrobioma. Mengukur fungsi sel pada berbagai skala memberikan detail molekuler tentang bagaimana sistem kehidupan bekerja bersama, apakah itu mikroba dalam usus manusia atau mikroba tanah yang menguraikan serasah daun.

Wright dan rekan-rekannya sebelumnya telah mengembangkan penyelidikan untuk mengidentifikasi enzim dalam mikroba tanah yang memecah selulosa, komponen tanaman yang diinginkan untuk produksi biofuel. Mereka juga telah berkembang probe yang meniru vitamin B umum untuk membantu memahami bagaimana nutrisi ini membentuk komposisi mikrobioma lingkungan dan manusia.

Untuk aplikasi kesehatan manusia, peneliti PNNL telah menggunakan probe ini untuk mengikuti bagaimana makanan berlemak mempengaruhi metabolisme hati atau paru-paru dengan cara yang dapat mempengaruhi bagaimana tubuh memproses obat. Mereka telah melacak bagaimana kuncinya enzim detoksifikasi di jaringan hati dan paru-paru juga berubah fungsi seiring bertambahnya usia atau setelah terpapar kontaminan lingkungan, obat-obatan terlarang, atau perubahan pola makan. Dan, mereka saat ini mempelajari bagaimana antibiotik mempengaruhi kerja mikrobioma usus dan bagaimana mikroba usus dapat memengaruhi jam internal tubuh kita.

Tim saat ini berkolaborasi dengan para peneliti di University of Delaware untuk mempelajari bagaimana aktivitas mikroba usus pada ulat tepung dapat dimanfaatkan untuk mendegradasi plastik. Dan, tim peneliti dari sekitar PNNL sedang mengeksplorasi cara menggabungkan probe kimia fluoresen dengan analisis otomatis gambar mikroskop untuk mendeteksi bakteri patogen di dalam tanah.

Pelajari lebih lanjut tentang melisensikan platform pemeriksaan bahan kimia untuk aplikasi lain yang mengurutkan mikroba berdasarkan fungsinya.

Pekerjaan ini terutama didukung oleh program Departemen Energi, Kantor Ilmu Pengetahuan, Biologi dan Lingkungan; Institut Kesehatan Nasional; dan Perjanjian Kerjasama Penelitian dan Pengembangan.

Sumber: PNNL