Метасеномное исследование почвы открывает кладезь потенциальных антибиотиков

Почва, источник наших лучших антибиотиков, может быть более тщательно «перекопана» в поисках новых лекарств и других полезных химических веществ с помощью метагеномики.

В статье, опубликованной 13 июня в журнале Nature, исследователи из Калифорнийского университета в Беркли сообщают о секвенировании геномов всех микробов в чайной ложке почвы — так называемом метагеномном секвенировании. Это позволило обнаружить сотни генов, кодирующих сложные и потенциально полезные молекулы, которые иначе не были бы найдены, так как эти микробы невозможно культивировать в чашке Петри.

Эти гены, многие из которых принадлежат ранее неизвестным группам бактерий, вероятно, производят антибиотики или противогрибковые вещества, которые микробы используют для самозащиты. Эти вещества также могут бороться с бактериальными или грибковыми инфекциями у людей.

Поиск новых антибиотиков стал императивом, поскольку болезнетворные бактерии становятся всё более устойчивыми к существующим препаратам, а разработка новых антибиотиков замедлилась до минимума. По оценкам CDC, ежегодно в США не менее 2 миллионов человек заражаются устойчивыми к антибиотикам бактериями, и не менее 23 000 человек умирают в результате этих инфекций.

Из 60 отдельных 10-граммовых образцов, взятых с глубины от 4 до 16 дюймов под луговым покровом в северной Калифорнии, команда смогла собрать геномы около 1000 различных микробов, включая бактерии и археи. Теперь они сообщают о 360 из них как о вновь идентифицированных видах бактерий, способных производить сложные молекулы, многие из которых напоминают известные антибиотики.

По словам исследователей, это самое сложное микробное сообщество, когда-либо секвенированное и собранное с помощью метагеномики. Предполагается, что богатая гумусом почва содержит десятки тысяч различных микробов, большинство из которых присутствует в малых количествах. Тысяча собранных геномов сильно различалась по распространённости: несколько геномов составляли около 1% микробных видов в почве, но большинство были в сотни и тысячи раз более редкими.

Антибиотики и противогрибковые средства

Хотя исследователи ещё не знают точные химические структуры сотен сложных молекул, которые, как они предсказывают, производят эти микробы, они объединились с другими биологами, чтобы это выяснить. Они намерены синтезировать более 20 из вновь обнаруженных генов, чтобы вставить их в другие организмы для экспрессии и производства белка. Затем они попытаются определить функцию этих белков и, если это ферменты, какие сложные молекулы они производят и обладают ли эти молекулы антибиотическими или другими новыми свойствами.

Помимо антибиотической или противогрибковой активности, эти молекулы могут иметь функции, пригодные для лаборатории или промышленности, подобно тому, как система CRISPR-Cas9 была извлечена из бактерий и стала революционным инструментом редактирования генов. В прошлом почвенные микробы стали источником противоракового препарата и иммунодепрессанта, используемого для предотвращения отторжения органов.

Микробы луга

Образцы почвы были взяты на лугу в заповеднике Angelo Coast Range в округе Мендосино. Шестьдесят образцов были секвенированы в Объединённом институте генома Министерства энергетики США, а ДНК собрана в геномы соавтором Спенсером Даймондом. Исследователи оценивают, что тысяча высококачественных геномов представляет от 20 до 40% всех микробов в образцах почвы.

Александр Критс-Кристоф просканировал 1000 почти полных микробных геномов в поисках генов, напоминающих гены других почвенных антибиотиков. Например, эритромицин является поликетидом, а ванкомицин, даптомицин и бацитрацин — нерибосомными пептидами. Он обнаружил более 1000 генов поликетидов и нерибосомных пептидов, продуцируемых примерно одной третью микробов со собранными геномами.

Команда обнаружила большое количество биосинтетических генов у новых представителей Acidobacteria, наиболее многочисленного бактериального типа в почвенных биомах. Два совершенно новых генома Acidobacteria из разных линий кодировали до 15 крупных кластеров генов, похожих на антибиотики.