Метапротеомика

Метапротеомика (исто така протеомика на заедницата, протеомика на животната средина или протеогеномика на заедницата) ― широк поим за опитни пристапи за проучување на сите белковини во микробните заедници и микробиоми од извори на животната средина. Метапротеомиката е користена за класификација на опити кои се занимаваат со сите белковини идентификувани и квантифицирани од сложени микробни заедници. Пристапите на метапротеомика се споредливи со геноцентричната геномика која е за животната средина, или метагеномика.
1 Потекло на поимот
Поимот „метапротеомика“ бил предложен од Франсиско Родригез-Валера за да ги опише гените и/или белковините најобемно изразени во примероците од животната средина. Поимот е изведен од „метагеном“. Вилмс и Бонд го предложиле поимот „метапротеомика“ за карактеризација на големи размери на целиот белковински комплемент на микробиотата на животната средина во даден временски период. Во исто време, поимите „протеогеномика на микробната заедница“ и „протеогеномика на микробната заедница“ понекогаш се користени наизменично за различни видови опити и резултати.
2 Прашања кои се однесуваат на метапротеомиката
Метапротеомиката им овозможува на научниците подобро да ги разберат генските функции на организмите, бидејќи гените во ДНК се транскрибирани во информациска РНК која потоа се преведува во белковина. Промените на генското изразување затоа може да бидат следени преку овој метод. Понатаму, белковините претставуваат клеточна активност и структура, така што користењето метапротеомика во истражувањето може да доведе до функционални информации на молекуларно ниво. Метапротеомиката, исто така, може да биде користена како алатка за проценка на составот на микробната заедница во однос на придонесот од биомаса на поединечни членови видови во заедницата и на тој начин може да ги надополни пристапите кои го проценуваат составот на заедницата врз основа на бројот на копии на гените, како што е генски ампликон или метагеномско секвенционирање на 16S рибозомна РНК.
3 Протеомика на микробни заедници
Првиот протеомски опит бил спроведен со пронајдокот на дводимензионална електрофореза на полиакриламид гел. Во 1980-тите и 1990-тите години, е забележан развој на масена спектрометрија и на масена спектрометрија заснована на протеомика. Сегашната протеомика на микробната заедница користи и раздвојување засновано на гел (еднодимензионално и дводимензионално) и негелска течна хроматографија, каде што и двете се потпираат на масена спектрометрија заснована идентификација на пептид.
Додека протеомиката во голема мера е пристап заснован на откритија кој е проследен со други молекуларни или аналитички техники за да биде обезбедена целосна слика за предметниот систем, таа не е ограничена на едноставно каталогизирање на белковините присутни во примерокот. Со комбинираните можности на пристапите „одозгора надолу“ и „одоздола-нагоре“, протеомиката може да бара прашања кои се движат од квантитација на генското изразување помеѓу условите за раст (без разлика дали се хранливи, просторни, временски или хемиски) до структурни информации за белковините.
Едно метапротеомско истражување на човечкиот устен микробиом откри 50 бактериски родови со помош на протеомика со техниката „сачмарка“. Резултатите се согласиле со Проектот за човечки микробиом, пристап заснован на метагеном.
Слично на тоа, метапротеомските пристапи биле користени во поголеми клинички студии кои го поврзуваат бактерискиот протеом со здравјето на луѓето. Неодамнешниот труд користел протеомика со „сачмарка“ за да го карактеризира вагиналниот микробиом, идентификувајќи 188 уникатни бактериски видови кај 688 испитани жени. Оваа студија ги поврзала групите на вагиналниот микробиом со ефикасноста на местните антиретровирусни лекови за спречување на стекнување ХИВ кај жените, што се припишува на бактерискиот метаболизам на лекот во живо. Покрај тоа, метапротеомските пристапи биле користени за проучување на други гледишта на вагиналниот микробиом, вклучувајќи ги имунолошките и воспалителните последици од вагиналната микробна дисбиоза, како и влијанието на хормоналните контрацептиви врз вагиналниот микробиом.
4 Метапротеомика и човечки цревни микробиом
Настрана од устните и вагиналните микробиоми, неколку студии за цревниот микробиом користеле метапротеомски пристапи. Студија од 2020 година направена од Лонг и колегија, покажала, користејќи метапротеомски пристапи, дека патогенезата на ракот на дебелото црево може да се должи на промените во цревниот микробиом. Неколку белковини испитани во оваа студија биле поврзани со внесот и преносот на железо, како и со оксидативниот стрес, бидејќи високата содржина на железо во цревата и оксидативниот стрес се показател за ракот на дебелото црево.
Друга студија направена во 2017 година од Ксионг и колегите, користела метапротеомика заедно со метагеномика во анализата на промените во цревниот микробиом за време на човечкиот развој. Ксионг и колегите откриле дека микробиомот на цревата кај доенчињата може првично да биде населен со факултативни анаероби како ''Enterococcus'' и ''Klebsiella'', а потоа подоцна населен со задолжителни анаероби како ''Clostridium'', ''Bifidobacterium'' и ''Bacteroides''. Додека микробиомот на човечкото црево било променувано со текот на времето, микробните метаболички функции останаа доследни, вклучувајќи јаглехидрати, аминокиселини и метаболизам на нуклеотиди.
Слична студија направена во 2017 година од Мајер и колегите комбинирана метапротеомика со метагеномика и метаболомика за да бидат прикажат ефектите на отпорниот скроб врз човечкиот цревен микробиом. Откако испитаниците конзумирале исхрана со висока содржина на отпорен скроб, откриено било дека неколку микробиолошки белковини се изменети како што се бутират киназа, еноил коензим А (еноил-КоА) хидратаза, фосфотрансацетилаза, аденилосуцинат синтаза, аденин фосфорибозилтрансфераза и гуфорибозилтрансфераза. Човечките субјекти доживеале зголемување на колипазата, панкреатичната триглицеридна липаза, изобилството на липаза стимулирана од жолчната сол, додека исто така доживеале намалување на α-амилазата.
Севкупно, метапротеомиката има стекнато огромна популарност во студиите за човечки цревни микробиоми бидејќи довела до важни откритија во областа на здравјето.
5 Метапротеомиката во студиите за микробиомите во животната средина
Метапротеомиката е особено корисна во идентификацијата на микробите вклучени во различни постапки на биоразградување. Студија од 2017 година направена од Џија и колегите, ја покажала примената на метапротеомиката во испитувањето на профилите на белковинско изразување на микроорганизмите што произведуваат биогориво. Според оваа студија, бактериските и археалните белковини биле вклучени во производството на биогорива добиени од водород и метан. Вклучени бактериски белковини се фердоксин-NADP редуктаза, ацетат киназа и NADH-хинон оксидоредуктаза пронајдени во таксоните ''Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteria'' и ''Bacteroidetes''. Овие одредени белковини се вклучени во метаболизмот на јаглени хидрати, липиди и аминокиселини. Вклучени археални белковини се ацетил-CoA декарбоксилаза и метил-коензим М редуктаза пронајдени во ''Methanosarcina''. Овие белковини учествуваат во биохемиските патишта кои вклучуваат искористување на оцетна киселина, намалување на CO<sub>2</sub> и употреба на метилни хранливи материи.
Првиот квантификациски метод за метапротеомика бил пријавен од Лало и колегите во 2018 година, на инженерски биолошки реактор збогатен за бактерии кои оксидираат амонијак и нитрити. Овде авторите користеле робустен метод за квантификација SWATH-MS (потреба за протеини 5μg) за проучување на промената на нивоата на изразување на протеинот до нарушена состојба. Студијата забележала дека промените во белковинското изразување на доминантните видови, т.е. бактериите кои оксидираат на амонијак, биле јасно забележани, но тоа не било така за бактериите кои оксидираат нитрити, кои биле пронајдени во мало изобилство.
Студија од 2019 година од Ли и колегите ја покажале употребата на метапротеомика во набљудувањето на белковинското изразување на гени за разградување на полициклични ароматични јаглеводороди. Авторите на оваа студија конкретно се насочиле на идентификување на разградливите микробни заедници во активната тиња за време на третманот на отпадните води, бидејќи полицикличните ароматични јаглеводороди се високо распространети загадувачи на отпадните води. Тие покажале дека бактериите ''Burkholderiales'' се силно вклучени во разградувањето на полицикличните ароматични јаглеводороди и дека бактериските белковини се вклучени во репликацијата на ДНК, метаболизмот на масни киселини и гликоза, одговорот на стресот, синтезата на белковини и метаболизмот на ароматични јаглеводороди.
Слична студија направена во 2020 година од Џанг и колегите, вклучувало метапротеомско профилирање на микроорганизми кои разградуваат азо боја. Бидејќи азо боите се опасни индустриски загадувачи, метапротеомиката била користена за да биде набљудуван севкупниот механизам на биоразградување. Соевите ''на Pseudomonas Burkholderia, Enterobacter, Lactococcus'' и ''Clostridium'' биле идентификувани со помош на метагеномско секвенционирање со „сачмарка“, и било откриено дека многу бактериски белковини покажуваат разградувачка активност. Овие белковини идентификувани со употреба на метапротеомика ги вклучуваат оние кои се вклучени во циклусот на трикарбоксилната киселина, гликолизата и алдехидната дехидрогенизација. Затоа, идентификацијата на овие белковини ги навела научниците да предложат потенцијални патишта за разградување на азо бојата во ''Pseudomonas'' и ''Burkholderia''.
Сè на сè, метапротеомиката е применлива не само за студии за човековото здравје, туку и за студии за животната средина кои вклучуваат потенцијално штетни загадувачи.
6 Поврзано
* Метатранскриптомика