Анализ микробиома человека с помощью метаболического профилирования

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-14-00305

НазваниеАнализ микробиома человека с помощью метаболического профилирования

Руководитель Родионов Дмитрий Александрович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича Российской академии наук , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-207 - Системная биология; биоинформатика

Ключевые слова Микробиота желудочно-кишечного тракта, метаболическая реконструкция, сравнительная геномика, биосинтез витаминов, катаболизм углеводов, синтез короткоцепочечных жирных кислот, метаболический потенциал микробного сообщества, метагеномныe данныe, функциональная классификация метагеномов

Код ГРНТИ34.03.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Микробиота человека представляет собой совокупность всех микроорганизмов, обитающих в человеческом теле. Преимущественное количество микробов обитает в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ). Видовое разнообразие микробиоты человека достигает 10 тысяч. В ряде исследований была показана исключительная роль кишечной микробиоты для состояния здоровья человека. Основные функции кишечной микробиоты включают усвоение сложных полисахаридов, которые не могут быть расщеплены ферментами человека, синтез витаминов и других важных для человека метаболитов и регуляторных молекул, защита от патогенов, регуляция иммунитета, эндокринной системы и высшей нервной деятельности. Расщепление сложных полисахаридов и последующий метаболизм продуктов этого расщепления, простых сахаров, обеспечивает питательными веществами не только представителей кишечной микробиоты, но и клетки организма человека, в частности, вырабатываемый бактериями бутират обеспечивает до 70% энергетических потребностей колоноцитов. Поэтому исследование утилизации сахаров и полисахаридов и синтеза биологически активных метаболитов микробиотой человека имеет огромное значение для биологии и медицины. Однако, наличие большого числа различных бактерий, обитающих в ЖКТ человека, делает почти невозможным экспериментальное исследование всех представителей микробиоты. В то же время, наличие большого количества геномных данных позволяет проводить массовые исследования методами геномного анализа. Сравнительный анализ геномов дает значительное преимущество для массовой реконструкции бактериальных регулонов и метаболических путей компьютерными методами. Данный проект направлен на полногеномную реконструкцию метаболизма бактерий микробиоты человека, создание базы данных генов и метаболических путей микробиоты человека и разработку биоинформатических программ для автоматического предсказания суммарных фенотипических свойств образцов микробиоты человека по данным секвенирования генов 16S рРНК или полных метагеномов. Геномный анализ с целью реконструкции метаболизма углеводов, витаминов, аминокислот, и других биологически активных соединений продуцируемых микробиотой человека позволит собрать базу данных метаболических генов и разнообразных вариантов метаболических путей, а также фенотипических правил, что послужит основой для разработки нового программного конвейер для метаболического профилирования метагеномных образцов в в виде 16S РНК и полногеномном формате. Разработанный программный конвейер будет применен для анализа и функциональной классификации реальных метагеномных образцов микробиоты кишечника и других частей тела человек из России и других стран. Полученные наборы фенотипических индексов для различных микробных сообществ будут статистически обработаны для определения ассоциаций между отдельными фенотипами (метаболитами) и параметрами из метаданных образцов, что даст возможность выдвинуть гипотезы о связи метаболических потенциалов микробиоты с определенными хроническими заболеваниями человека. Сравнение полученных фенотипических индексов с референсным набором (базой данных), полученным в ходе обработки конвейером образцов для большого количества здоровых и больных людей, может быть использовано для профилактики заболеваний с помощью коррекции диеты и использования витаминных и других добавок к пище. Также будет изучено влияние пребиотиков на стандартизированную кишечную микробиоту из опубликованных экспериментов по in vitro ферментированию и разработан программный модуль для оптимизации состава микробиоты через модификацию диеты пребиотиками, витаминами и другими стимулирующими рост бактерий нутриентами. Полученные таким образом подробные метаболические описания микробных сообществ позволят: (1) осуществлять функциональную (вдобавок к таксономической) классификацию большого набора образцов микробиоты; (2) проводить корреляционный анализ с использованием метаданных (данные по болезням, диетам и добавкам к пище, географии и образу жизни); (3) выявлять метаболические фенотипы ассоциированные с определенными признаками и участками тела. В ходе выполнения данного проекта будут получены новые данные о метаболических путях и фенотипах в микробных сообществах человеческого тела, которые будут иметь большое практическое и фундаментальное значение как для микробиологии, так и для персонализированной медицины, в частности для диагностики и предотвращения заболеваний.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Петерсон К.Т., Родионов Д.А., Яблоков С.Н., Пунг М., Чопра Д., Милс П.Д., Петерсон С.Н. Prebiotic potential of culinary spices used to support digestion and bioabsorption Evidence-Based Complementary and Alternative Medicine, ID 8973704, 11 pages (год публикации - 2019)
10.1155/2019/8973704

2. Раман А.С., Гериг Д.Л., Венкатеш С., Чанг Х.В., Хаббард М., A sparse co-varying unit of the human gut microbiota that describes healthy and impaired community development. Science, 365(6449). pii: eaau4735 (год публикации - 2019)
10.1126/science.aau4735

3. Вульф А.Р., Весенер Д.А., Ченг Д., Хьюстон-Лудлам А.Н., Беллер З.В., Набберд М.С., Джанонне Р.Д., Петерс С.Л., Хеттиш Р.Л., Лейн С.А., Родионов Д.А., Остерман А.Л., Гордон Д.И. Bioremediation of a common product of food processing by a human gut bacterium Cell Host & Microbe, 26(4):463-477.e8 (год публикации - 2019)
10.1016/j.chom.2019.09.001

4. Ланиган Л., Келли Е., Арзамасов А.А., Слантон К., Родионов Д.А, Ван Синдерен Д. Transcriptional control of central carbon flux in Bifidobacterium breve UCC2003 by two functionally similar, yet distinct LacI-type regulators Scientific Reports, 9(1):17851 (год публикации - 2019)
10.1038/s41598-019-54229-4

5. Арзамасов А., Родионов Д.А. Genomic encyclopedia of bifidobacterial carbohydrates utilization Proceedings of 9th Moscow Conference on Computational Molecular Biology MCCMB'19 (год публикации - 2019)

6. Ашниев Г.А., Яблоков С.Н., Родионов Д.А. Genomics-based inference of metabolic capabilities for biosynthesis and degradation of amino acids in the human gut microbiome Proceedings of 9th Moscow Conference on Computational Molecular Biology MCCMB'19 (год публикации - 2019)

7. Джонс Р.Б., Бергер П.К., Плоус Д.Ф., Альдерет Т.Л., Миллштайн Д., Фогел Д., Яблоков С.Н., Родионов Д.А., Остерман А.Л., Боде Л., Горан М.И. Lactose-reduced infant formula with added corn syrup solids is associated with a distinct gut microbiota in Hispanic infants Gut Microbes, 12(1):1813534 (год публикации - 2020)
10.1080/19490976.2020.1813534

8. Яблоков С.Н., Клименко Н.С., Ефимова Д.А., Шашкова Т., Новичков П.С., Родионов Д.А., Тяхт А.В. Metabolic phenotypes as potential biomarkers for linking gut microbiome with inflammatory bowel diseases Frontiers in Molecular Biosciences (год публикации - 2020)
10.3389/fmolb.2020.603740

9. Петерсон К.Т., Яблоков С.Н., Учитель С., Чопра Д., Перец-Сантьяго Д., Родионов Д.А., Петерсон С.Н. Community Metabolic Interactions, Vitamin Production and Prebiotic Potential of Medicinal Herbs used for Immunomodulation Frontiers in Genetics (год публикации - 2020)
10.3389/fgene.2020.584197

10. Яблоков С.Н., Новичков П.С., Остерман А.Л., Родионов Д.А Binary Metabolic Phenotypes and Phenotype Diversity Metrics for the Functional Characterization of Microbial Communities Frontiers in Microbiology, 12:653314 (год публикации - 2021)
10.3389/fmicb.2021.653314

11. Казанов М.Д., Лейн С.А., Родионов Д.А, Computational inference of metabolic phenotypes for new bacterial isolate and metagenome-assembled genomes Proceedings of 10th Moscow Conference on Computational Molecular Biology MCCMB'21, 2021(35) (год публикации - 2021)

12. Яблоков С.Н., Родионов Д.А. Binary metabolic phenotypes and phenotype diversity metrics for functional characterization of microbial communities Proceedings of 10th Moscow Conference on Computational Molecular Biology MCCMB'21, 2021(36) (год публикации - 2021)

13. Ашниев Г.А., Сернова Н.В., Шевкопляс А.Е., Родионов И.Д., Родионова И.А., Витрещак А.Г., Гельфанд М.С., Родионов Д.А. Evolution of Transcriptional Regulation of Histidine Metabolism in Grampositive Bacteria Proceedings of 10th Moscow Conference on Computational Molecular Biology MCCMB'21, 2021(34) (год публикации - 2021)

Публикации