microbeMASST微生物质谱搜索工具 探索微生物代谢暗物质

微生物占地球生物量的15%以上，它们通过产生的小分子影响着生态，遍布地球的各个角落尽管微生物代谢物在环境中无处不在，也很重要，但研究人员很难在野外和实验台上精确定位微生物代谢物。公共数据库可以帮助科学家破译一些微生物分子，但它们通常仅限于研究充分的物种。

为了揭示微生物暗物质，研究人员开发了微生物质谱搜索工具(microbeMASST)，通过将样品与来自6万多个微生物培养的公开记录进行比较，一次性检测出数百种微生物代谢物。最初开发microbeMASST是为了研究海洋的微生物，随后研究人员将microbeMASST扩展到人类微生物环境，以探索微生物组对疾病的影响。研究小组在《Nature Microbiology》杂志上发表了他们的成果。

科学家很少能全面了解微生物代谢组。例如，研究人员怀疑肠道细菌产生了消化道中的大部分代谢物，因为它们拥有的基因数量大约是人类基因组的100倍。然而，当科学家收集粪便样本时，他们通常只能识别10%的代谢物。“在这10%的注释中，真正的微生物分子的比例实际上不到1%，”加州大学圣地亚哥分校的计算生物学家、该研究的合著者Simone Zuffa说。

西蒙弗雷泽大学(Simon Fraser University)的分析化学家Roger Linington评价说：“传统上，人们会一次研究一种微生物，并分离出单个分子。”这使得难以确定有多少微生物产生有问题的代谢物。“这项新研究提供了一个将分子置于生态环境中的机会。”

Anelize Bauermeister是加州大学圣地亚哥分校的海洋微生物学家，也是这项研究的合著者，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。她说：“在海洋微生物中发现代谢物真的很困难，因为它们很难收集，也很难在实验室培养。”即使她成功地学会了培养这些生活在海洋中的生物，她也很难分辨出微生物、珊瑚或其他水下来源是否会产生哪些代谢物。为了克服这个问题，她和她的同事们开始开发microbeMASST，这是一种可以从来自不同环境样本中破译哪些代谢物来自微生物。为了让这个搜索工具能够识别各种细菌，研究小组汇编了从动物、人类、湖泊、海洋、植物和土壤中发现的微生物中收集的代谢组学数据。整个世界都是他们的微生物。

然后，他们在一个新的环境和物种——实验室小鼠——中测试microbemass。在小鼠体内，宿主细胞和常驻微生物产生代谢物，但microbeMASST检测的是那些只由细菌产生的代谢物。他们分析了一个数据集，其中包含来自一系列器官和生物体液的代谢物，包括正常小鼠和无菌小鼠的大脑、心脏、肝脏、血液和粪便。由于无菌小鼠缺乏微生物，Zuffa推测任何在正常小鼠中发现但在无菌小鼠中缺失的代谢物一定来自微生物。通过这种方法，他们鉴定出了1673种代谢物，这些代谢物完全由生活在宿主体内的细菌和真菌产生。

“如果它们真的是微生物产生的，它们也应该在其他研究中能发现，”Zuffa说。为了检验他们发现的稳健性，他们将正常小鼠与服用抗生素的小鼠进行了比较。他们的新分析再现了621种相同的代谢物，其中512种是不使用抗生素的小鼠所独有的。该工具可以作为寻找微生物代谢物的起点，但需要对实验室培养的微生物进行进一步的生化分析，以确认这些分子确实来自细菌。

microbeMASST对于探索微生物及其代谢物在健康和疾病中的作用的人类微生物组研究可能是有价值的。使用人类数据集，Zuffa和他的同事比较了健康人和患有不同疾病的人的样本，包括炎症性肠病——这通常与微生物群的破坏有关。从这些样本中，他们观察到在小鼠数据中发现的512种微生物代谢产物中的455种，这表明该搜索工具也可以追踪人体中的数百种微生物代谢产物。

与他们对小鼠的分析一样，他们研究了一系列器官和体液，但研究结果并不一定表明微生物存在于所有这些地方。相反，他们指出，肠道中产生的微生物代谢物可能会在体内传播，并引发全身效应。

尽管在研究微生物代谢物方面取得了长足的进步，但目前许多分子仍然是暗物质。搜索工具仅限于公开可用的代谢组学数据，这在微生物-代谢物匹配中造成了瓶颈。然而，Linington希望这个工具能够鼓励科学界将他们的数据开放获取。

另一个限制在于科学家如何收集代谢组学数据。科学家通常使用质谱仪将代谢物电离成带电的碎片，然后测量它们的质量和电荷，以破解其化学结构背后的密码。Linington说:“并不是所有的分子都同样容易被质谱检测到，这是因为不同的化合物结构在仪器中有不同的电离倾向。”所以一些代谢物仍然在视线之外。

研究人员计划开发其他搜索工具，使其更容易找到其他生命形式的代谢物。“我们正在开发一种名为plantmass的植物版本，它会告诉你特定分子是否实际上是由特定植物衍生的。”