Большинство бактерий невозможно культивировать в лабораторных условиях, и это плохая новость для медицины. В то же время многие антибиотики были созданы микроорганизмами, и по мере того, как устойчивость к ним распространяется среди микробов-мишеней, почва под нашими ногами хранит огромный скрытый резервуар неиспользованных жизненно важных соединений. Остается их найти и опознать.
По мнению исследователей Рокфеллеровского университета, им посчастливилось получить доступ к микробной «золотой жиле». Их метод, опубликованный в журнале Nature Biotechnology, позволяет избежать необходимости выращивать бактерии в лабораторных условиях. Гораздо проще и дешевле извлекать большие фрагменты ДНК непосредственно из почвы для воссоздания геномов ранее неизвестных микробов, а затем экстрагировать из полученных геномов биоактивные молекулы.
Из одного образца лесного материала команда получила сотни полных бактериальных геномов, ранее не идентифицированных наукой, а также два новых потенциальных антибиотика. Эти результаты предлагают масштабируемый способ поиска новых потенциальных лекарств среди некультивируемых бактерий и открывают обширные, неизведанные границы микробного мира, формирующего окружающую среду.
Руководитель Лаборатории генетически кодируемых малых молекул в Рокфеллеровском университете Шон Брэди с удовлетворением отметил, что у ученых наконец-то появилась технология, позволяющая увидеть мир микробов, ранее недоступный человеку. Они не просто получают эту информацию, но уже превращают ее в потенциально полезные антибиотики. И это лишь верхушка айсберга.
Микробная «темная материя»
Почва — самое подходящее место для поиска новых бактерий. Это крупнейший и самый биоразнообразный резервуар микроорганизмов на планете. В одной чайной ложке могут содержаться тысячи различных видов, а общее число микробов исчисляется миллиардами. Многие важные лекарственные средства, включая большую часть нашего арсенала антибиотиков, были обнаружены в том крошечном сегменте почвенных бактерий, которые поддаются культвированию в лаборатории. Не стоит забывать и о том, что почва, в отличие от питательных субстратов, очень дешева.
Однако наука очень мало знает о микробах, обитающих в земле. Ученые подозревают, что эти скрытые бактерии содержат не только неиспользованный источник новых терапевтических средств, но и ключи к пониманию того, как микробы влияют на климат, сельское хозяйство и окружающую среду, в которой мы живем. По всему миру существуют скрытые экосистемы, которые оказывают огромное невидимое влияние на жизнь планеты. Это можно сравнить с невидимой космической темной материей, только в планетарном масштабе.
Чтобы проникнуть в тайны микробного мира, команде потребовалось объединить несколько подходов. Во-первых, она оптимизировала метод выделения крупных высококачественных фрагментов ДНК непосредственно из почвы. Сочетание этого достижения с развивающейся технологией секвенирования длинных нуклеотидов с помощью нанопор позволило Яну Буриану, сотруднику лаборатории Брэди, получать непрерывные фрагменты ДНК длиной в десятки тысяч пар оснований — в 200 раз длиннее, чем позволяла любая ранее существовавшая методика.
ДНК почвы содержит огромное количество следов различных бактерий. Без возможности работать с большими последовательностями ДНК разделение ее на полные и непрерывные геномы разрозненных микроорганизмов оказалось бы неразрешимой задачей.
По мнению Брэди, проще собрать целый геном из более крупных фрагментов ДНК, чем из миллионов крошечных фрагментов, как делали раньше. И это кардинально повышает уверенность в результатах.
Природные антибиотики — это производимые бактериями малые молекулы. Но кроме антибиотиков микробы генерируют несметное количество соединений, не обладающих терапевтическим эффектом или вообще токсичных для человека. Чтобы преобразовать недавно обнаруженные последовательности в полезные биоактивные молекулы, группа применила метод синтетических биоинформатических природных продуктов (synBNP). Они биоинформатически предсказали химическую структуру соединений непосредственно на основе данных генома, а затем химически синтезировали их в лаборатории. Используя метод synBNP, Брэди и его коллеги смогли превратить генетические модели некультивируемых бактерий в реальные молекулы, включая два мощных антибиотика.
Этот метод масштабируется и может быть адаптирован практически к любому метагеномному пространству за пределами почвы, как трехэтапная стратегия, которая может положить начало новой эре микробиологии. Нужно «всего лишь»:
- Выделить большую ДНК;
- Секвенировать ее;
- На базе вычислительного моделиролвания преобразовать во что-то полезное.
Примененный к единственному образцу лесной почвы подход позволил получить базу данные ДНК-последовательностей размером 2,5 ТБ. Это самое глубокое на сегодняшний день исследование с использованием длинных прочтений для одного образца почвы. Анализ выявил сотни полных смежных бактериальных геномов, более 99% из которых были совершенно новыми для науки, и позволил идентифицировать представителей 16 основных ветвей таксономического дерева бактерий.
Два обнаруженных соединения-лидера могут стать мощными антибиотиками. Одно из них, эрутацидин, разрушает бактериальные мембраны посредством необычного взаимодействия с липидом кардиолипином, и оно эффективно против даже самых сложных, устойчивых к лекарственным препаратам бактерий. Другое, тригинтамицин, воздействует на бактериальный «мотор разворачивания белка» (protein-unfolding motor), известный также как ClpX, редкую для современной фармацевтики бактериальную мишень.
Брэди подчеркивает, что эти открытия — только начало. Исследование показывает, что ранее недоступные микробные геномы теперь можно расшифровать и извлекать из них биоактивные молекулы в больших масштабах без культивирования организмов в чашках Петри. Раскрытие генетического потенциала микробной «темной материи» также может дать новое понимание скрытых сетей, поддерживающих почвенные и наземные экосистемы.
Нас интересуют в основном малые молекулы как терапевтические средства, но у них есть и другие области применения, помимо медицины. Изучение культивируемых бактерий привело к открытиям, которые помогли сформировать современный мир, а обнаружение и доступ к некультивируемому большинству молекул даст толчок новому поколению открытий.Ян Буриан
Под ногами в лесу скрываются не только антибиотики. Об удивительном симбиозе микоризных грибов и растений мы рассказали здесь.
