یک مطالعه مشترک نرم‌افزاری به نام gutSMASH ایجاد کرده است که خوشه‌های ژن متابولیک اولیه (MGCs) را در گروه‌های طبقه‌بندی میکروبی خاص که در تعاملات میکروبیوم میزبان مهم هستند، شناسایی می‌کند. اگرچه این نرم افزار برای پیش بینی MGCها از باکتری های بی هوازی روده انسان ساخته شده است، اما می توان از این نرم افزار برای شناسایی مسیرهای متابولیک در جوامع میکروبی که سایر نقاط بدن را اشغال می کنند نیز استفاده کرد.
این مطالعه در مجله منتشر شد بیوتکنولوژی طبیعت هفته گذشته: “gutSMASH مسیرهای متابولیک اولیه تخصصی را از میکروبیوتای روده انسان پیش بینی می کند.” نرم‌افزار gutSMASH مبتنی بر پایتون از کد منبع الگوریتم قبلی به نام antiSMASH ساخته شده است که خوشه‌های ژن بیوسنتزی را با شناسایی حوزه‌های پروتئینی خوشه‌بندی شده فیزیکی با استفاده از مدل‌های پنهان مارکوف پیش‌بینی می‌کند و به‌طور رایگان از اینجا قابل دانلود است.
این مطالعه توسط دکتر مایکل فیشباخ، دانشیار گروه‌های مهندسی زیستی، میکروبیولوژی و ایمونولوژی در دانشگاه استنفورد، دیلن داد، استادیار پاتولوژی و میکروبیولوژی و ایمونولوژی در دانشگاه استنفورد و مارنیکس مدما انجام شد. دکترا، استادیار زیست شناسی محاسباتی در دانشگاه لیدن در هلند.
نویسندگان خاطرنشان کردند: “ما این چارچوب تشخیص خوشه ژنی را برای شناسایی MGCهای دخیل در متابولیسم اولیه و بیوانرژیتیک طراحی کردیم.” gutSMASH می‌تواند ابزار ارزشمندی در زمینه کشف آنزیم/مسیر، برای پیوند متابولیت‌ها به خوشه‌های ژنی و شناسایی ژن‌های مسئول فنوتیپ‌های مرتبط با میکروبیوم باشد.
اعضای میکروبیوم روده ما بسیاری از مولکول‌ها یا متابولیت‌های کوچک را سنتز می‌کنند که طیفی از ویژگی‌های فیزیولوژیکی، از هضم تا خلق و خو را تغییر می‌دهند. اجزای مسیرهای بیوسنتزی که چنین متابولیت هایی را تولید می کنند به طور فیزیکی در مناطقی از ژنوم های میکروبی که به طور شهودی به آنها خوشه های ژن متابولیک می گویند، خوشه بندی می شوند. الگوریتم‌هایی که مسیرهای متابولیک میکروبی را پیش‌بینی می‌کنند بر روی MGCها برای متابولیسم اولیه تمرکز می‌کنند – مسیرهایی که در رشد و حفظ فعالیت سلولی نقش دارند.
محققان از این الگوریتم برای پروفایل سیستماتیک متابولیسم میکروبیوم روده استفاده کردند و 19890 خوشه ژن را در 4240 ژنوم میکروبی با کیفیت بالا شناسایی کردند. نویسندگان خاطرنشان کردند: «ما تفاوت‌های مشخصی را در توزیع مسیر بین فیلاها یافتیم که منعکس کننده استراتژی‌های متمایز برای جذب انرژی است.
نتایج توضیح می‌دهد که چگونه خانواده‌های باکتریایی مختلف از مسیرهای آنزیمی منحصربه‌فرد برای تولید اسیدهای چرب با زنجیره کوتاه استفاده می‌کنند و نشان می‌دهند که هر گروه میکروبی (تاکسون) یک طاقچه متابولیک مشخصه را اشغال می‌کند.
برای تعیین شیوع و فراوانی هر مسیر متابولیک در انسان، محققین 1135 فرد را از یک گروه هلندی تجزیه و تحلیل کردند. با کمال تعجب، آنها دریافتند که سطح متابولیت های مشتق شده از میکروبیوم در پلاسما و مدفوع در این نمونه های انسانی، منعکس کننده فراوانی ژن های مسیرهای متابولیکی که این متابولیت ها را در متاژنوم های میکروبی روده تولید می کنند، نیست. این نشان دهنده نقش مهمی برای تنظیم ژن خاص مسیر و شار متابولیت است.
شناسایی مسیرهای باکتریایی به نرم افزاری بستگی دارد که ژن های خوشه ای فیزیکی را شناسایی می کند. تجزیه و تحلیل های مبتنی بر خوشه های ژنی حفظ شده از خطاهای مثبت کاذب که از تجزیه و تحلیل های مبتنی بر شباهت های توالی ها به تنهایی ناشی می شود، جلوگیری می کند. این اصل به طور گسترده در بیوسنتز محصولات طبیعی استفاده می شود.
نویسندگان خاطرنشان کردند: «این کار نقطه شروعی برای درک تفاوت‌ها در نحوه مشارکت گونه‌های باکتریایی در شیمی میکروبیوم است».