Бактерия-симбионт, фиксирующая азот, обещает кладезь природных соединений

Почвенные бактерии рода Frankia обладают потенциалом для производства множества природных соединений, включая антибиотики, гербициды, пигменты, противораковые агенты и другие полезные продукты. К такому выводу пришла группа исследователей под руководством Брэдли С. Мура из Океанографического института Скриппса в Ла-Хойе в статье, опубликованной в июньском номере 2011 года журнала Applied and Environmental Microbiology.

Исследователи обнаружили в геноме этой бактерии с помощью методов биоинформатики и геномного майнинга генетические структуры, напоминающие таковые у различных ценных категорий природных соединений. «Эта огромная биосинтетическая способность напоминает многие промышленно важные бактерии, такие как принадлежащие к роду Streptomyces, которые производят большинство природных антибиотиков, используемых в качестве лекарств», — говорит Мур.

«Увидеть такую способность у хорошо известного микроорганизма, ранее не эксплуатировавшегося из-за его химического богатства, было очень полезно как с прикладной, так и с фундаментальной научной точки зрения», — отмечает Мур. Бактерии Frankia — это азотфиксирующие бактерии, живущие в симбиозе с актиноризными растениями (к которым относятся, например, буковые и вишневые деревья, а также различные тыквенные растения). «Поскольку подавляющее большинство выявленных [биосинтетических] путей уникальны для Frankia, это говорит о том, что они используют очень сложную и специализированную коммуникацию со своим растением-хозяином для установления и поддержания симбиоза. Так что там многое предстоит открыть».

Frankia ранее не эксплуатировались отчасти потому, что эти бактерии трудно выращивать в лаборатории. Однако новые генетические методы позволяют легче пересаживать гены, отвечающие за перспективные природные соединения, из Frankia в «более удобные для производства бактерии-хозяева», говорит Мур.

Более того, геномный майнинг — недавняя методика, включающая поиск генетических последовательностей, — был критически важен для получения результатов и «дополняет гораздо более трудоемкое традиционное открытие лекарств среди природных соединений, которое не менялось десятилетиями», — говорит Мур. Более глубокое понимание того, как сложные органические молекулы синтезируются в природе, заложило дополнительную основу для этого и для «новой революции в открытии природных химических веществ, которая подстегнет новые исследования функций этих химических веществ в природе и того, как их можно использовать на благо общества».

Проект вырос из курса для аспирантов «Микробный геномный майнинг», который преподавали Мур и Дэниел Юдвари (тогда его постдок, ныне — в Университете Род-Айленда). Каждый студент в классе исследовал группу биосинтетических кластеров генов, предварительно отобранных Муром и Юдвари. Студенты — большинство из которых являются соавторами статьи — аннотировали гены и на основе биосинтетических принципов предсказывали пути, ведущие к предполагаемым природным продуктам. Затем они сотрудничали с лабораториями Питера Доррестейна в Калифорнийском университете в Сан-Диего (специалиста по масс-спектрометрии) и Лу Тисы в Университете Нью-Гэмпшира (биолога, изучающего Frankia) для проведения предварительных протеомных и метаболомных анализов, чтобы проверить, активны ли предсказанные пути и присутствует ли химия малых молекул.