Океан как источник природных соединений

Океаны населяют бесчисленные формы жизни, от синего кита до микроскопических микроорганизмов. Эти микроорганизмы играют ключевую роль в экосистеме и климате. Например, цианобактерии производят около 50% атмосферного кислорода и поглощают CO₂.

Исследование разнообразия океанических микроорганизмов до сих пор было ограниченным. Группа под руководством профессора Шиничи Сунагавы из ETH Zurich совместно с группой Йёрна Пиля изучает это разнообразие, чтобы обнаружить новые природные соединения.

Исследование геномных данных

Учёные проанализировали общедоступные данные ДНК из 1000 проб воды, собранных на разных глубинах по всем океанам. Используя анализ eDNA и реконструкцию геномов на компьютере, они расшифровали информацию, кодирующую белки. Новые данные были объединены с существующими 8500 наборами геномов морских микроорганизмов в единую базу.

В результате для анализа стало доступно 35 000 геномов. Целью был поиск новых видов и, в особенности, перспективных биосинтетических кластеров генов (BGC) — групп генов, отвечающих за синтез природного соединения.

Новые виды и молекулы

В данных были обнаружены около 40 000 потенциально полезных BGC, а также ранее неизвестные виды бактерий из типа Eremiobacterota. Ранее считалось, что эти бактерии обитают только на суше и не обладают биосинтетическим разнообразием.

Исследователи назвали новое семейство этих бактерий Eudoremicrobiaceae. Один из видов, Eudoremicrobium malaspinii, в некоторых районах океана составляет до 6% всех бактерий. У этих бактерий оказался гигантский для микроорганизмов геном и наибольшее разнообразие BGC среди всех изученных проб.

Были детально изучены два BGC от Eudoremicrobiaceae:

1. Кластер генов, содержащий код для ферментов, никогда ранее не встречавшихся в такой комбинации в бактериальном BGC.
2. Биоактивное природное соединение, ингибирующее протеолитический фермент.

Экспериментальная проверка

Поскольку E. malaspinii не удалось культивировать, группа Йёрна Пиля перенесла гены в модельную бактерию, которая затем произвела соответствующие вещества. Структура молекул была определена, а биологическая активность подтверждена экспериментально.

В одном случае ферментативная активность, предсказанная компьютерными программами, не совпала с результатами экспериментов. «Компьютерные предсказания имеют ограничения, поэтому их необходимо проверять в лаборатории», — отмечает Сунагава.

Доступ к данным и дальнейшие планы

База данных с 40 000 потенциальных природных соединений доступна всем исследователям. Помимо продолжения поиска новых соединений, Сунагава планирует изучить вопросы эволюции и экологии океанических микроорганизмов, в том числе роль BGC.

Исследование опубликовано в журнале Nature.