В почве обнаружены сотни новых бактерий и два потенциальных антибиотика

Фото из открытых источников

Большинство бактерий невозможно культивировать в лабораторных условиях, и это плохая новость для медицины. Многие из передовых антибиотиков были созданы микробами, но по мере того, как устойчивость к антибиотикам распространяется, а потоки лекарств иссякают, почва под нашими ногами хранит огромный скрытый резервуар неиспользованных жизненно важных соединений.

Теперь исследователи разработали способ получить доступ к этой микробной золотой жиле. Их подход, опубликованный в журнале Nature Biotechnology, позволяет избежать необходимости выращивать бактерии в лабораторных условиях, извлекая очень большие фрагменты ДНК непосредственно из почвы для воссоздания геномов ранее скрытых микробов, а затем извлекая из полученных геномов биоактивные молекулы.

Из одного образца лесного материала команда получила сотни полных бактериальных геномов, ранее не наблюдавшихся, 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 нашу окружающую среду.

«Наконец-то у нас есть технология, позволяющая увидеть мир микробов, ранее недоступный человеку», — говорит Шон Ф. Брэди, руководитель Лаборатории генетически кодируемых малых молекул в Рокфеллеровском университете. «И мы не просто получаем эту информацию; мы уже превращаем её в потенциально полезные антибиотики. Это лишь верхушка айсберга».

Если вы ищете бактерии, почва — очевидный выбор. Это крупнейший и самый биоразнообразный резервуар бактерий на планете: в одной чайной ложке могут содержаться тысячи различных видов. Многие важные лекарственные средства, включая большую часть нашего арсенала антибиотиков, были обнаружены в той крошечной части почвенных бактерий, которую можно выращивать в лаборатории. К тому же почва очень дешева.

Однако мы очень мало знаем о миллионах микробов, обитающих в Земле. Учёные 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 живём. «По всему миру существует эта скрытая экосистема микробов, которая может оказать огромное влияние на нашу жизнь», — добавляет Брэди. «Мы хотели наконец их увидеть».

Чтобы получить это представление, потребовалось объединить несколько подходов. Во-первых, команда 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 из лаборатории Брэди, получать непрерывные фрагменты ДНК длиной в десятки тысяч пар оснований — в 200 раз длиннее, чем позволяла любая ранее существовавшая технология.

ДНК почвы содержит огромное количество различных бактерий; без возможности работать с такими большими последовательностями ДНК решение этой сложной генетической головоломки и разделение ее на полные и непрерывные геномы разрозненных бактерий оказалось чрезвычайно сложной задачей.

«Сейчас проще собрать целый геном из более крупных фрагментов ДНК, чем из миллионов крошечных фрагментов, как было доступно раньше», — говорит Брэди. «И это кардинально повышает уверенность в результатах».

Уникальные малые молекулы, такие как антибиотики, которые производят бактерии, называются «природными продуктами». Чтобы преобразовать недавно обнаруженные последовательности в биоактивные молекулы, группа применила метод синтетических биоинформатических природных продуктов (synBNP). Они биоинформатически предсказали химическую структуру природных продуктов 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 настоящие молекулы, включая два мощных антибиотика.

Брэди описывает этот метод, который масштабируется и может быть адаптирован практически к любому метагеномному пространству за пределами почвы, как трехэтапную стратегию, которая может положить начало новой эре микробиологии: «Выделите большую ДНК, секвенируйте ее и с помощью вычислений преобразуйте во что-то полезное».

Применённый к единственному образцу лесной почвы подход команды позволил получить данные о последовательностях размером 2,5 терабазовых пары — 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 генеалогического древа бактерий.

Два обнаруженных соединения-лидера могут стать мощными антибиотиками. Одно из них, эрутацидин, разрушает бактериальные мембраны посредством необычного взаимодействия с липидом кардиолипином и эффективно против даже самых сложных, устойчивых к лекарственным препаратам бактерий. Другое, тригинтамицин, воздействует на белок-мотор разворачивания, известный как ClpX, редкую антибактериальную мишень.

Брэди подчёркивает, 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. Раскрытие генетического потенциала микробной тёмной материи также может дать новое понимание скрытых микробных сетей, поддерживающих экосистемы.

«Нас интересуют в основном малые молекулы как терапевтические средства, но у них есть и другие применения, помимо медицины», — говорит Буриан. «Изучение культивируемых бактерий привело к открытиям, которые помогли сформировать современный мир, а обнаружение и доступ к некультивируемому большинству молекул даст толчок новому поколению открытий».