近年来，微生物组研究已经开始将重点从微生物本身转移到它们产生的分子上。毕竟，正是这些分子直接与人体细胞相互作用，影响人体健康。但是，要确定哪些分子是由人体微生物群产生的，是相当具有挑战性的。典型的代谢组学研究只能表征人类微生物组样本中约10%的分子数据。

在2023年12月5日发表在《自然》杂志上的一项新研究中，加州大学圣地亚哥分校的微生物组学专家首次提出了一种他们称之为“反向代谢组学”的新方法。这项技术结合了有机合成、数据科学和质谱法，以更好地了解微生物群分泌的分子以及它们如何影响人类健康。

在反向代谢组学的首次应用中，科学家们发现了数百种以前从未在人体中观察到的分子。利用这些新数据，他们识别了炎症性肠病(IBD)的新代谢组学特征。作者说，这些分子有一天可以作为诊断IBD的生物标志物，或者作为帮助治疗这种疾病的潜在治疗靶点。

“我们知道微生物组很重要，但我们不知道微生物会产生什么样的分子，也不知道它们对人体有多大的影响，反向代谢组学帮助我们评估是否可以在样本中找到特定的分子，预测哪些微生物正在产生它们，并将这些代谢组学特征与健康和疾病联系起来。”资深作者、加州大学圣地亚哥分校Pieter C. Dorrestein博士说。

在典型的代谢组学研究中，研究人员将使用质谱这种工具来寻找样本中的不同分子。在这项技术中，每个分子都有自己的“条形码”，可以通过它来识别。然而，科学家们需要知道这些条形码代表了什么来描述样本的内容，这仍然是一个挑战。

在这项新研究中，Dorrestein实验室的研究人员采用了一种逆向的方法。第一作者Emily C. Gentry博士使用有机合成技术首先从四类感兴趣的分子中生产了数千种不同的合成分子，然后定义了它们的条形码。

然后，研究人员利用公开可用的代谢组学数据，包括以前通过克罗恩和结肠炎基金会收集的数据，并在这些数据中搜索新的条形码。研究结果显示，有145种合成胆汁酸存在于公开数据的生物样本中，其中139种以前从未被描述过。

Dorrestein说：“如果你读一本生物教科书，这些分子都不会出现在里面，它们不仅对我们对人类生理学的理解是全新的，对科学来说也是全新的，这真是太神奇了。”

Gentry和同事随后比较了来自不同患者群体样本的代谢组学特征，发现一种合成的微生物分子——胆汁酰胺类（bile amidates）与IBD之间有很强的联系。这种关联随后在多个队列中得到验证，支持了这些分子可能参与IBD病理的观点。

仔细观察后，科学家们注意到，克罗恩病患者的某些胆酰胺酸水平升高，特别是当他们有活跃的症状时，但溃疡性结肠炎患者的情况并非如此。像这样的模式有一天可以用来帮助区分和诊断特定类型的IBD。

然后，研究人员开始探索这些分子如何影响肠道健康。其它实验表明，几种胆酰胺化合物可能通过失调T细胞功能来促进肠道炎症。例如，一种微生物化合物使一种已知与克罗恩病发病机制有关的关键细胞因子增加了6倍。

“我们正在使用有机合成和数据科学来更好地了解我们的身体在分子水平上是如何工作的。我们也是第一批利用公开的代谢组学数据发现新的人体分子的研究之一。随着越来越多的代谢组学数据公开，反向代谢组学将变得更加有用。”

作者说，他们所描述的分子有一天可能会激发治疗IBD的新疗法。例如，患者可能会服用含有分泌特定分子的活微生物的药丸，或者服用抑制这些与疾病相关的分子相互作用的酶的药物。

Andrés Hurtado-Lorenzo博士说:“这是我们精确营养计划的一项非凡成就，在该计划中，Dorrestein博士先前证明了反向代谢组学可以识别与IBD患者疾病严重程度相关的食物代谢物。现在，这项开创性的工作已经进一步发展到发现新的代谢物，这些代谢物在IBD的诊断和治疗应用中都有潜力。”

原文标题：

Reverse metabolomics for the discovery of chemical structures from humans