Исследователи изучили геномы почвенных бактерий, которых невозможно вырастить в лаборатории. Для этого они извлекли большие фрагменты ДНК из почвы и секвенировали их. Анализ геномов бактерий позволил ученым предсказать структуру двух новых антибиотиков — эрутацидина и тригинтамицина, которые исследователи затем искусственно синтезировали в лаборатории. Работа открывает широкие возможности для поиска новых лекарств и исследования микроорганизмов. Результаты опубликованы в журнале Nature Biotechnology.
Антибиотики — это природные вещества, которые убивают бактерии или останавливают их рост, помогая лечить инфекции. Раньше большинство антибиотиков получали из бактерий и грибков, которых можно выращивать в лаборатории. Со временем у бактерий появляется устойчивость к антибиотикам и лекарства перестают действовать. Поэтому важно искать новые антибиотики, способные бороться с такими бактериями. Однако найти и создать новые лекарства сложно, потому что большинство бактерий нельзя вырастить в лаборатории, и многие полезные для человека вещества остаются неизвестными.
Ученые исследовали почвенных бактерий, которых невозможно вырастить в лаборатории. Для этого они выделили крупные фрагменты ДНК прямо из почвы и определили их последовательность с помощью технологии нанопорового секвенирования. Этот метод позволил «прочесть» последовательность непрерывных участков ДНК длиной в десятки тысяч пар оснований — в 200 раз длиннее, чем при предыдущих технологиях секвенирования.
«Гораздо проще собрать целый геном из более крупных фрагментов ДНК, чем из миллионов крошечных фрагментов, которые были доступны раньше. И это существенно повышает уверенность в результатах», — отметил Шон Ф. Брэди из Рокфеллеровского университета.
В ходе эксперимента из одного образца почвы ученые получили 2,5 терабайта данных — это самый глубокий анализ почвенного микробиома с использованием длинных прочтений. Команда собрала сотни полных бактериальных геномов, из которых 99% были ранее неизвестны и относились к 16 большим группам бактерий.
Далее команда применила метод синтетической биоинформатики природных продуктов (synBNP). Этот метод позволил предсказать химические структуры веществ, которые могут кодироваться найденными генами, а затем синтезировать их в лаборатории. Так ученые смогли из генетической информации получить реальные биоактивные соединения, в том числе два новых антибиотика — эрутацидин и тригинтамицин.
Эрутацидин разрушает мембраны бактерий, взаимодействуя с липидом кардиолипином, и эффективно действует даже на устойчивые штаммы (виды) бактерий. Антибиотик тригинтамицин воздействует на механизм разворачивания и деградации белков, известный как ClpX, который является редкой мишенью для антибактериальных препаратов.
Работа показывает, что геномы микроорганизмов теперь можно расшифровывать и предсказывать наличие биоактивных молекул в больших масштабах без культивирования организмов. Такой подход также позволит взглянуть на скрытые микробные сети, поддерживающие экосистемы.
«В основном нас интересуют небольшие молекулы в качестве терапевтических средств, но их можно применять и за пределами медицины. Изучение культивируемых бактерий привело к достижениям, которые помогли сформировать современный мир, а доступ к некультивируемому большинству станет движущей силой для нового поколения открытий», — прокомментировал Ян Буриан из Рокфеллеровского университета.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
