Междисциплинарная исследовательская группа под руководством Лейбниц-HKI в Йене открыла новую группу биоактивных природных соединений у патогенных бактерий рода Pandoraea — пандорабактины. Они позволяют бактериям извлекать жизненно важное железо из других микроорганизмов и таким образом могут влиять на микробный баланс в лёгких человека.
Результаты исследования опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition.
Бактерии рода Pandoraea мало изучены
Бактерии рода Pandoraea до сих пор мало изучены. Их название напоминает ящик Пандоры из греческой мифологии, который является символом неуправляемой опасности.
«Мы работали с устойчивой к антибиотикам бактерией», — говорит Елена Херцог. Она является первым автором публикации и работает докторантом в команде Кристиана Хертвека, руководителя исследования в Институте естественных продуктов и инфекционной биологии имени Лейбница (Leibniz-HKI). Однако, как и многие другие вещи в природе, эти патогенные бактерии обладают не только отрицательными свойствами.
«Бактерии Pandoraea не только таят в себе риски. Они также производят натуральные продукты с антибактериальным эффектом», — отмечает Херцог.
Несмотря на высокий риск для здоровья, связанный с бактериями Pandoraea, их молекулярные свойства до сих пор были мало изучены. «Мы знали только то, что эти бактерии встречаются в природе и могут быть патогенными, поскольку их обнаруживали в микробиоме лёгких пациентов с муковисцидозом или сепсисом», — объясняет Херцог.
Роль железа для бактерий
Как и для большинства живых организмов, железо также необходимо бактериям. «Железо играет центральную роль в ферментах и дыхательной цепи живых организмов, например», — объясняет Херцог.
Особенно в условиях недостатка железа, таких как человеческое тело, условия для достаточного поглощения этого элемента далеко не идеальны. Поэтому многие микроорганизмы производят так называемые сидерофоры — небольшие молекулы, которые связывают железо из окружающей среды и транспортируют его в клетку.
«Однако у бактерий Pandoraea не было известных факторов вирулентности или ниш, которые могли бы помочь им выжить», — говорит Херцог. Поэтому исследовательская группа хотела выяснить, как штаммы Pandoraea могут выживать в такой конкурентной среде.
Открытие пандорабактина
Используя биоинформатический анализ, команда идентифицировала ранее неизвестный геномный кластер под названием pan. Он кодирует нерибосомальную пептидную синтетазу — типичный фермент для производства сидерофоров.
«Мы начали с анализа генного кластера и специально искали гены, которые могли бы быть ответственны за производство сидерофоров», — сообщает Херцог.
С помощью целенаправленной инактивации генов, а также культуральных методов и современных аналитических технологий — включая масс-спектрометрию, ЯМР-спектроскопию, химическую деградацию и дериватизацию — исследователям из Йены удалось выделить два новых природных продукта и выяснить их химическую структуру: пандорабактин А и В.
Оба способны образовывать комплексы с железом и могут играть важную роль в выживании штаммов Pandoraea в сложных условиях. «Молекулы помогают бактериям усваивать железо, когда оно в дефиците в их среде», — говорит Херцог.
Биоанализы также показали, что пандорабактины подавляют рост других бактерий, таких как Pseudomonas, Mycobacterium и Stenotrophomonas, удаляя железо у этих конкурентов.
Анализ образцов мокроты из лёгких пациентов с муковисцидозом показал, что обнаружение геномного кластера pan коррелирует с изменениями в микробиоме лёгких. Таким образом, пандорабактины могут оказывать прямое влияние на микробные сообщества в поражённых лёгких.
«Однако пока рано делать выводы о медицинском применении этих находок», — подчёркивает Херцог. Тем не менее открытие предоставляет важную информацию о стратегиях выживания бактерий рода Pandoraea и о сложной конкуренции за жизненно важные ресурсы в организме человека.
Исследование проводилось в тесном сотрудничестве между Leibniz-HKI и университетами Йены, Гейдельберга и Гонконга. Оно было проведено в рамках кластера передового опыта «Баланс микромира» и Центра совместных исследований ChemBioSys.