Учёные обнаружили огромное разнообразие и новые молекулы в микробиоме корней деревьев
Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США обнаружили, что сообщества микробов, живущих в корнях тополя и вокруг них, в десять раз разнообразнее человеческого микробиома. Они производят множество новых молекул, которые могут быть полезны в качестве антибиотиков, противораковых препаратов или для сельскохозяйственных применений.
Это исследование — первый глубокий анализ генетических кластеров в микробиоме Populus, которые кодируют производство уникальных и разнообразных природных соединений (натуральных продуктов).
Микробы используют натуральные продукты в основном как сигналы для общения с другими микробами или с растением-хозяином. Эти молекулы могут заставлять бактерии расти, меняться или замедлять развитие. В условиях жёсткой конкуренции за ресурсы микробы также выделяют натуральные продукты как антибиотики для устранения конкурентов.
Специфичность этих антибиотиков, которые часто нацелены на определённые бактерии, делает их привлекательными кандидатами для создания целевых лекарств. Такие препараты могли бы убивать вредные виды, а не широкий спектр микробов в сообществе, например, в кишечнике человека. Результаты дают отправную точку для изучения натуральных продуктов и закладывают основу для дальнейшего исследования роли этих молекул во взаимодействиях растений и микробов.
«Мы сосредоточены на обмене энергией, информацией и материалами на границе раздела растение-микроб», — сказал Митч Доктич, руководитель научного направления «Интерфейсы растение-микроб» (PMI) в ORNL. — «Натуральные продукты имеют ключевое значение для функционирования и здоровья микробов и их растений-хозяев».
Оценивая широту и разнообразие натуральных продуктов и их генетическую основу, исследователи обнаружили обилие генетических кластеров, не вписывающихся в известные группы. Почти 15% кластеров не попадают в распространённые структурные категории. Из кластеров, которые всё же относятся к известным группам, только 1% соответствуют ранее охарактеризованным последовательностям.
Поиск натуральных продуктов
«Это огромный биосинтетический потенциал», — сказала исследователь Патрисия Блэр. — «Некоторые уникальные последовательности могут кодировать известные натуральные продукты. Некоторые могут кодировать молекулы, которые мы никогда раньше не видели».
Команда провела вычислительный анализ более 300 последовательностей бактериальных геномов, а также метагеномных образцов из десятков локаций. Это богатство геномной информации было собрано в рамках предыдущих исследований ORNL по проекту PMI. Недавняя статья, опубликованная в mSystems, знаменует собой первое описание многих из этих бактериальных геномов, хотя последовательности регулярно становятся доступными через Joint Genome Institute.
В ORNL эти выводы будут направлять текущие исследования способов взаимодействия растений и микробов и их влияния на выживание друг друга в дикой природе. В частности, учёные будут изучать влияние конкретных натуральных продуктов и их продуцентов на динамику искусственных растительных сообществ.
«Некоторые бактерии просто изобилуют этими генными кластерами», — отметила Блэр. — «Учёные могли бы отдать приоритет для дальнейшего изучения определённому штамму бактерий или классу натуральных продуктов на основе этих данных. В одном геноме содержится так много информации, что вам просто нужна точка отсчёта».