MicrobeRX：解锁肠道微生物组代谢奥秘的创新工具

《Microbiome》：MicrobeRX: a tool for enzymatic-reaction-based metabolite prediction in the gut microbiome

为解决肠道微生物组代谢研究难题，研究人员开发 MicrobeRX 工具，发现多种代谢模式，意义重大。

　　肠道微生物组在人体健康中扮演着至关重要的角色，它就像一个隐藏在我们体内的 “小宇宙”，影响着新陈代谢、免疫系统调节等诸多生理过程。尤其是在代谢方面，肠道微生物组能够代谢膳食化合物和外源性物质，进而对营养吸收、药物反应以及疾病的发展产生直接影响。然而，这个 “小宇宙” 中大部分代谢产物仍是未知的 “暗物质” ，这极大地限制了我们对其在人体健康中作用的理解。

目前，代谢谱分析方法存在诸多局限性。例如，液相色谱 - 质谱、气相色谱 - 质谱和核磁共振光谱等技术，虽然能检测某些类型的代谢物，但根据技术设置的不同，可注释的代谢物数量有限，仅约 1200 - 1500 种，且对大多数代谢物的定性和定量鉴定仍困难重重。此外，粪便和血浆样本中代谢物水平受到宿主环境（包括饮食）、遗传学和肠道微生物组等复杂因素的相互作用影响，难以建立代谢物丰度与微生物酶功能之间的直接机制联系。而基于培养组学的体外实验虽有价值，但通量低且针对性强，无法全面了解微生物代谢物的化学结构。

为了攻克这些难题，来自荷兰格罗宁根大学医学中心（University Medical Center Groningen）的研究人员 Angel J. Ruiz - Moreno、Jingyuan Fu 等人开展了深入研究。他们开发了一种名为 MicrobeRX 的新型工具，相关研究成果发表在《Microbiome》杂志上。

研究人员在开发 MicrobeRX 时，运用了多种关键技术方法。首先，他们从 Recon3D 获取人类生物转化数据，从 AGORA2 获得 6286 种微生物菌株的代谢重建数据。然后，使用 cobrapy 0.26.2 对这些数据进行处理，并利用 MetaNetX v4.4 进行注释交叉引用。为了生成反应规则，研究人员借助 RDKit cheminformatic toolbox，排除运输、交换等不涉及原子变化的反应，对化合物进行分子清理，通过特定程序进行原子映射，将反应分解为单反应物反应（SRR）并转化为化学特异性反应规则（CSRRs）。在此基础上，开发了包含多个功能模块的 Python 库，如 RuleGenerator 模块用于生成 CSRRs，MetabolitePredictor 模块基于 CSRRs 进行代谢物预测，MetaboliteAnalyzer 模块分析预测代谢物的化学和结构性质，MetaboliteVisualizer 模块展示相关化学特征，OmicsIntegrator 模块连接预测与基因信息 。

研究结果如下：

1. MicrobeRX 的开发：研究人员整合了大量数据，包括 13,540 个人类反应和 8638 个微生物反应，经过筛选得到 5487 个人类代谢反应和 4030 个肠道微生物代谢反应，共 8905 个独特反应。这些反应被概括为 109,403 个 CSRRs，以实现对新型代谢物的预测。同时，MicrobeRX 具备多个分析和可视化模块，能够对预测的代谢物、酶和生物体进行深入分析，且该工具基于 Python 开发，可与其他工具集成，免费获取和使用。
2. 与 DrugBank 药物代谢物的基准测试：研究人员利用 DrugBank 药物代谢物对 MicrobeRX 的预测能力进行基准测试，并与 BioTransformer 进行比较。结果显示，MicrobeRX 对已知药物代谢物的预测准确率为 63.2%，而 BioTransformer 仅为 16.70%（药物）和 7.70%（代谢物）。在预测口服药物的一步代谢物时，MicrobeRX 正确预测了 66.01% 的药物和 63.7% 的代谢物，优于 BioTransformer。此外，MicrobeRX 预测的代谢物与生物样本中的代谢物在理化和结构特征上更为相似，且能提供更详细的酶注释。
3. 所有口服药物预测代谢物的比较：研究人员使用 MicrobeRX 对 DrugBank 中 1083 种批准的口服药物进行代谢物预测，得到 485,033 个代谢结构。经过筛选，保留了 53,811 个高置信度预测（13,632 个独特代谢物）。与 BioTransformer 相比，MicrobeRX 预测的代谢物结构多样性更广泛，涵盖了 DrugBank 代谢物数据集、BioTransformer 预测结果以及 MiMeDB 数据集中的大部分化学空间 。
4. 人类和肠道微生物的药物代谢：通过对 MicrobeRX 预测结果的深入分析，发现可被人类和肠道微生物共同代谢的药物与内源性营养化合物结构相似，如维生素和氨基酸衍生物等。肠道微生物对特定药物的代谢存在化学特异性、分类群特异性和广泛代谢三种模式。例如，某些细菌能特异性代谢含有特定化学结构的药物，不同门或属的细菌对特定药物的代谢具有特异性，而一些内源性或类似内源性的化合物可被几乎所有细菌代谢 。
5. 案例研究：研究人员选取了两个案例进行深入研究。在共享代谢案例中，发现人类和 107 种肠道微生物中的色氨酸 2,3 - 双加氧酶（TRPO2）可对曲坦类药物进行代谢，打开其吡咯环。在微生物特异性代谢案例中，微生物芳基 - 二烷基磷酸水解酶（ADAPH）可能参与对乙酰氨基酚等含芳基醇化合物的代谢 。

研究结论和讨论部分指出，MicrobeRX 在预测代谢物方面具有显著优势，能够考虑分子的化学特征和连接性，通过置信度评分筛选可能的代谢物，并提供生物转化中涉及的酶和生物体信息。然而，该工具也存在一些局限性，如对某些化学反应细节的未知会降低预测能力，依赖基因组规模模型（GEMs）中反应的完整描述，且无法预测代谢途径或级联反应产生的代谢物，也不能定量预测转化速率 。尽管如此，MicrobeRX 在揭示肠道微生物组如何影响营养和健康方面具有巨大潜力，可用于探索与微生物失衡相关的各种健康问题的新型治疗策略。同时，它在酶发现、合成生物学、生物修复、农业和食品工业等领域也具有广阔的应用前景，为多学科的研究和创新提供了有力支持。