New computational framework for the characterisation of next generation probiotics targeting autoimmune and inflammatory bowel disorders

Abstract

This PhD project aims to build the scientific basis to develop new functional foods based on bioactive peptides obtained from the genetic sequences of the human microbiome. These foods will be directed to the prevention of several gastrointestinal disorders of autoimmune and inflammatory nature, as well as to decrease the effects of the disease in patients. This will have a direct effect decreasing the economic burden of the treatments and increasing the quality of life of the patients. The proposed computational framework will be equipped to support the study of human gut microbiota interactions with the immune system and to manipulate aberrant immune responses. To this end, the PhD student will integrate both novel and state-of-the-art bioinformatics methods and tools for sequence analysis and protein characterisation with various well-established data integration and data mining methods. The PhD student will develop in silico tools to characterise encrypted peptides with potential bioactivity, firstly by studying their occurrence in the exoproteomes of the human microbiome, and thus obtain a database of peptides with different potential bioactivities. Moreover, functional analysis of proteome interactions will be pursued as means to reveal metabolic systems with greater prevalence among diseases progressing with inflammatory or autoimmune mechanisms, such as inflammatory bowel disease (IBD) and colo-rectal cancer (CRC). Further, this will help us to analyse nutrient-affected pathways in the human pathology. Most notably, the PhD student will investigate cross-feeding relationships between gut microbe enzymes and host carbohydrate metabolism enzymes, diet modulation and the use of probiotics in treating metabolic disorders. This project will shed light on our understanding of the human gut biology and cell cross-talk with food, probiotic and gut bacteria in the context of diseases such as IBD and CRC. Specifically, the new computational framework will equip researchers with the latest and more powerful means of in silico analysis and take the best possible advantage of public databases, enabling cutting-edge interdisciplinary research. This is of major interest since the number of people suffering from these diseases in Europe and other developed countries has been increasing during the last years and it is expected to continue growing in the future.

Este proyecto de doctorado tiene como objetivo construir una base científica para el desarrollo de nuevos alimentos funcionales basados en péptidos bioactivos obtenidos de secuencias genéticas del microbioma humano. Estos alimentos serán dirigidos a la prevención de varios desordenes gastrointestinales de naturaleza autoinmune o inflamatoria, así como para disminuir el efecto de la enfermedad en los pacientes. Esto tendrá un efecto directo disminuyendo la carga económica de los tratamientos e incrementando la calidad de vida de los pacientes. El marco computacional propuesto estará equipado para apoyar el estudio de las interacciones de la microbiota intestinal humana con el sistema inmunológico y para manipular respuestas inmunes aberrantes. Para este fin, el estudiante de doctorado integrará métodos y herramientas de bioinformática innovadoras y avanzadas para el análisis de secuencias y la caracterización de proteínas con varios métodos bien establecidos de integración y minería de datos. El estudiante de doctorado desarrollará herramientas in silico para caracterizar péptidos encriptados con bioactividad potencial, primero estudiando su presencia en los exoproteomas del microbioma humano, obteniendo así una base de datos de péptidos con diferentes bioactividades potenciales. Además, el análisis funcional de las interacciones del proteoma se llevará a cabo como medio para revelar sistemas metabólicos con mayor prevalencia entre las enfermedades que evolucionan con mecanismos inflamatorios o autoinmunes, como la enfermedad inflamatoria intestinal (EII) y el cáncer colorrectal (CCR). Además, esto nos ayudará a analizar las vías afectadas por los nutrientes en la patología humana. En particular, el estudiante de doctorado investigará las relaciones de cross-feeding entre las enzimas de los microorganismos intestinales y las enzimas del metabolismo de los carbohidratos del huésped, la modulación de la dieta y el uso de probióticos en el tratamiento de los trastornos metabólicos. Este proyecto arrojará luz sobre nuestra comprensión de la biología intestinal humana y el cruce de células con las bacterias alimentarias, probióticas e intestinales en el contexto de enfermedades como EII y CCR. Específicamente, el nuevo marco computacional dotará a los investigadores de los últimos y más potentes medios de análisis in silico y aprovechará al máximo las bases de datos públicas, permitiendo una investigación interdisciplinaria de vanguardia. Esto es de gran interés ya que el número de personas que padecen estas enfermedades en Europa y en otros países desarrollados ha aumentado durante los últimos años y se espera que siga creciendo en el futuro.

Este proxecto de doutorado ten como obxectivo construír unha base científica para o desenvolvemento de novos alimentos funcionais baseados en péptidos bioactivos obtidos de secuencias xenéticas do microbioma humano. Estes alimentos serán dirixidos á prevención de varios desordenes gastrointestinais de natureza autoinmune ou inflamatoria, así como para diminuír o efecto da enfermidade nos pacientes. Isto terá un efecto directo diminuíndo a carga económica dos tratamentos e incrementando a calidade de vida dos pacientes. O marco computacional proposto estará equipado para apoiar o estudio das interaccións da microbiota intestinal humana co sistema inmunolóxico e para manipular respostas inmunes aberrantes. Para este fin, o estudante de doutorado integrará métodos e ferramentas de bioinformática innovadoras e avanzadas para o análise de secuencias e a caracterización de proteínas con varios métodos ben establecidos de integración e minería de datos. O estudante de doutorado desenvolverá ferramentas in silico para caracterizar péptidos encriptados con bioactividade potencial, primeiro estudando a súa presencia nos exoproteomas do microbioma humano, obtendo así unha base de datos de péptidos con diferentes bioactividades potenciais. Ademais, o análise funcional das interacción do proteoma levarase a cabo como medio para revelar sistema metabólicos con maior predominio entre as enfermidades que evolucionan con mecanismos inflamatorios ou autoimnumes, como a enfermidades inflamatoria intestinal (EII) e o cáncer colorrectal (CCR). Ademais, isto axudaranos a analizar as vías afectas polos nutrientes na patoloxía humana. En particular, o estudantes de doutorado investigará as relaciones de cross-feeding entre as encimas dos microorganismos intestinais e as encimas do metabolismo dos carbohidratos do hóspede, a modulación da dieta e o uso de probióticos no tratamento dos trastornos metabólicos. Este proxecto arroxará luz sobre a nosa comprensión da bioloxía intestinal humana e o cruce de células con las bacterias alimentarias, probióticas e intestinais no contexto de enfermidades como EII e CCR. Especificamente, o novo marco computacional dotará ós investigadores dos últimos e máis potentes medios de análise in silico e aproveitará ó máximo as bases de datos públicas, permitindo unha investigación interdisciplinaria de vangarda. Isto é de grande interese xa que o número de persoas que padecen estas enfermidades en Europa e noutros países desenvolvidos aumentou durante os últimos anos e esperase que siga crecendo no futuro.