Коралловые рифы скрывают природную аптеку, которую ученые только начали изучать

Фото из открытых источников

Морские губки сыграли ключевую роль в большинстве исследований, которые ученые, изучающие рифы, называют разработкой «морских лекарств». Химический состав их жизнедеятельности необычен, разнообразен и хорошо изучен.

Другие видимые рифовые организмы находятся ниже в списке. Например, рифообразующие кораллы едва попали в него. В ходе исследования, в котором были каталогизированы геномы сотен обитающих в этих местах микроорганизмов, выяснилось, почему это было ошибкой.

Образцы были получены в ходе экспедиции по Тихому океану, завершившейся в 2018 году. Исследователи на борту шхуны «Тара» извлекли более 800 фрагментов кораллов с рифов примерно на 30 островах.

Шиничи Сунагава, микробиолог-эколог из ETH Zurich, возглавил группу, которая объединила эти фрагменты в микробные геномы. В ходе исследования было обнаружено 645 видов микроорганизмов, бактерий и древних одноклеточных организмов, называемых археями. Все они обитали на поверхности или внутри трех групп рифообразующих кораллов. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Более 99 процентов этих видов никогда не были зарегистрированы ни в одной базе данных геномов. Сунагава объяснил, что они были практически неизвестны науке.

Исследователи проверили, могли ли эти микробы попасть в воду из открытых водоемов. Оказалось, что нет. Когда команда сравнила образцы кораллов с морской водой, взятыми на разных расстояниях, оказалось, что микробиом кораллов практически отсутствует на расстоянии более нескольких футов от хозяина.

Даже в пределах одного рифа разные кораллы имели разные сообщества микроорганизмов. В трех изученных группах кораллов 95 процентов видов микроорганизмов были обнаружены только на одном типе кораллов-хозяев.

Это напоминало то, как микроорганизмы кожи и кишечника человека прикрепляются к определенным участкам тела. Такое специфическое для хозяина расположение было описано в недавнем обзоре.

Эти микробы не бездействуют. Для защиты от патогенов, хищников и конкурентов в переполненной экосистеме они, по-видимому, производят химические вещества. Многие из них — это те самые небольшие молекулы, на изобретение которых фармацевтические компании тратят целые состояния.

Команда просканировала каждый геном на предмет генетических инструкций, которые морские микробы используют для синтеза этих химических веществ. Рифовые микробы содержали больше таких рецептов на вид, чем группа исследователей обнаружила в более раннем исследовании в открытом океане. Примерно 64 процента этих генетических планов никогда ранее не были описаны.

Это не просто модификации соединений, уже имеющихся на полках химиков. Это рецепты для химических реакций, которые еще не созданы. Ожидалось, что огненные кораллы, названные так из-за болезненного укуса, который они наносят пловцам, случайно задевающим их, не будут доминировать в этом анализе.

Традиционно большая часть исследований рифов была сосредоточена на каменистых кораллах, основных строителях коралловых рифов. Однако оказалось, что огненные кораллы обладают самым богатым микробиомом из всех трех групп.

В каждом виде микробы содержали почти вдвое больше кластеров генов, отвечающих за производство химических веществ, чем микробы мягких кораллов, на которых были сосредоточены более ранние исследования.

Расшифровка химических реакций в геноме — это не то же самое, что доказательство их работоспособности. Команда выбрала несколько перспективных мишеней. Затем они пропустили их через весь процесс, превратив генетические инструкции в функциональный фермент, а затем и в проверяемое химическое вещество.

Одна мишень особенно выделялась. Малоизученная бактерия из микробиома кораллов содержала инструкции для синтеза небольшого белка, украшенного кольцеобразными химическими группами, которые встречаются во многих лекарственных препаратах, продающихся на рынке.

Когда исследователи воссоздали механизм сборки в лабораторном штамме бактерий, они смогли получить модифицированный белок в контролируемой системе. Препарат блокировал эластазу нейтрофилов человека — фермент, вызывающий повреждение тканей при воспалительных заболеваниях, — в концентрациях, достаточно низких для того, чтобы заинтересовать разработчиков лекарств.

Команда также продемонстрировала, что фермент сборки работает как с укороченными версиями белка, так и с белками, созданными для выполнения различных задач. Именно такая гибкость и ищет биотехнологическая лаборатория в исходном инструменте.

Природные соединения обнаруживаются в морских организмах уже несколько десятилетий. Однако систематические исследования внутри рифообразующих кораллов практически не проводились до этой работы.

В этот анализ были включены три рода кораллов. Существует еще несколько сотен других.

Губки, моллюски и водоросли являются носителями множества разнообразных микробных сообществ, практически ни одно из которых не исследовалось с таким разрешением. Каждый из них может быть источником новых ферментов, антибиотиков или лекарственных препаратов, и каждый из них сокращается в размерах, поскольку потепление воды угрожает окружающей среде.

Аргументы в пользу защиты рифов уже давно опираются на туризм, рыболовство и защиту побережья от штормовых волн. Их молекулярная ценность была ниже. Из рифовых организмов изредка выделялись лекарственные средства, но полного перечня микроорганизмов, содержащихся в них, не существовало.

В настоящее время инвентаризация охватывает три типа кораллов в одном океаническом бассейне. Рифовые микробиомы содержат больше генов, кодирующих химические вещества, на один организм, чем микробиомы окружающего моря.

Большинство из них остаются неизученными, но в ходе одной экспедиции был обнаружен действующий фермент, представляющий интерес для фармацевтической промышленности.

«Молекулярные исследования коралловых рифов открывают огромные возможности для биотехнологических и медицинских применений», — сказал Йорн Пиль из Цюрихского технологического института.

Главная проблема – время. Рифы исчезают быстрее, чем можно измерить химический состав их вод, и большая часть утраченного никогда больше не будет исследована.