Сотни новых бактерий и два потенциальных антибиотика обнаружены в почве

от

Многие бактерии невозможно вырастить в лаборатории, и это стало проблемой для медицины. Большинство наших основных антибиотиков были получены из микробов, но по мере распространения устойчивости к антибиотикам и сокращения числа новых препаратов почва под нашими ногами превращается в огромный скрытый резервуар неиспользованных спасительных соединений.

Исследователи разработали способ получить доступ к этой микробной золотой жиле. Их подход, опубликованный в Nature Biotechnology, позволяет обойтись без выращивания бактерий в лаборатории. Учёные извлекают очень большие фрагменты ДНК непосредственно из почвы, чтобы собрать геномы ранее неизвестных микробов, а затем ищут в полученных геномах биологически активные молекулы.

Из одного образца лесной почвы команда получила сотни полных геномов ранее неизвестных бактерий, а также два новых потенциальных антибиотика. Результаты предлагают масштабируемый способ поиска новых лекарственных средств среди некультивируемых бактерий и открывают огромный неизведанный микробиологический фронт, который формирует нашу среду.

«Наконец-то у нас появились технологии, позволяющие увидеть микробный мир, который ранее был недоступен для человека», — говорит Шон Ф. Брэди, руководитель Лаборатории генетически кодируемых малых молекул в Рокфеллеровском университете. «И мы не просто видим эту информацию; мы уже превращаем её в потенциально полезные антибиотики. Это только начало».

Почва как источник бактерий

Почва — очевидный выбор для поиска бактерий. Это крупнейший и наиболее биологически разнообразный резервуар бактерий на планете: в одной чайной ложке может содержаться тысячи различных видов. Многие важные терапевтические средства, включая большую часть нашего арсенала антибиотиков, были обнаружены в той крошечной части почвенных бактерий, которую можно вырастить в лаборатории.

Однако мы очень мало знаем о миллионах микробов, обитающих в земле. Учёные подозревают, что эти скрытые бактерии содержат не только неиспользованный резервуар новых терапевтических средств, но и подсказки о том, как микробы влияют на климат, сельское хозяйство и окружающую среду, в которой мы живём.

«По всему миру существует скрытая экосистема микробов, которая может оказать драматическое влияние на нашу жизнь», — добавляет Брэди. «Мы хотели наконец увидеть их».

Метод исследования

Чтобы получить представление о микробах, команда оптимизировала метод выделения больших высококачественных фрагментов ДНК непосредственно из почвы. Сочетание этого достижения с новым методом секвенирования длинных чтений с помощью нанопор позволило Яну Буриану, постдокторанту в лаборатории Брэди, получить непрерывные участки ДНК длиной в десятки тысяч пар оснований — в 200 раз длиннее, чем могла справиться любая ранее существовавшая технология.

Без таких больших последовательностей ДНК было чрезвычайно сложно собрать из них полные и непрерывные геномы для разрозненных бактерий.

«Гораздо проще собрать целый геном из больших кусочков ДНК, а не из миллионов крошечных фрагментов, которые были доступны раньше», — говорит Брэди. «И это существенно влияет на вашу уверенность в результатах».

Уникальные малые молекулы, такие как антибиотики, которые производят бактерии, называются «натуральными продуктами». Чтобы преобразовать недавно обнаруженные последовательности в биологически активные молекулы, команда применила подход синтетической биоинформатики натуральных продуктов (synBNP). Они биоинформатически предсказали химические структуры натуральных продуктов непосредственно из данных генома, а затем химически синтезировали их в лаборатории.

С помощью подхода synBNP Брэди и его коллегам удалось превратить генетические схемы из некультивируемых бактерий в реальные молекулы, включая два мощных антибиотика.

Брэди описывает метод, который масштабируем и может быть адаптирован практически к любому метагеномному пространству за пределами почвы, как трёхэтапную стратегию, которая может открыть новую эру микробиологии: «Выделить большую ДНК, секвенировать её и преобразовать в нечто полезное с помощью вычислений».

Применяя этот подход к своему образцу лесной почвы, команда получила 2,5 терабаспары данных секвенирования — самое глубокое исследование одного образца почвы с помощью длинных чтений на сегодняшний день. Их анализ выявил сотни полных непрерывных бактериальных геномов, более 99% из которых были совершенно новыми для науки. Были идентифицированы представители 16 основных ветвей бактериального генеалогического древа.

Два обнаруженных соединения могут стать основой для создания мощных антибиотиков. Одно из них, эрутацидин, разрушает мембраны бактерий за счёт необычного взаимодействия с липидом кардиолипином и эффективно против даже самых сложных бактерий, устойчивых к лекарствам. Другое, тригинтамицин, воздействует на двигатель разворачивания белков, известный как ClpX, редкую мишень для антибактериальных препаратов.

Брэди подчёркивает, что эти открытия — только начало. Исследование демонстрирует, что ранее недоступные микробные геномы теперь можно расшифровать и использовать для поиска биологически активных молекул в больших масштабах без культивирования организмов. Раскрытие генетического потенциала микробной тёмной материи может также дать новое понимание скрытых микробных сетей, поддерживающих экосистемы.

«Нас в основном интересуют малые молекулы в качестве терапевтических средств, но есть и другие применения», — говорит Буриан. «Изучение культивируемых бактерий привело к достижениям, которые помогли сформировать современный мир, и наконец-то мы увидели и получили доступ к большинству некультивируемых бактерий, что станет движущей силой нового поколения открытий».

Предоставлено Рокфеллеровским университетом.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте