Комбинация профилирования и геномики открывает новые метаболиты

Исследователи изучили 10 различных видов цианобактерий, чтобы идентифицировать их вторичные метаболиты (соединения, производимые в ходе нормального клеточного метаболизма, не участвующие напрямую в росте клетки, но могущие играть важную роль во взаимодействиях с внешней средой) и гены, связанные с этими молекулами.

Понимание метаболических путей цианобактерий — важный шаг для их использования в производстве биотоплива, однако эти пути изучены недостаточно. Учёные идентифицировали множество соединений, связанных с метаболизмом цианобактерий, более половины из которых были ранее неизвестны, и нашли связанные гены для нескольких из них.

Команда исследовала 10 разнообразных видов цианобактерий, обнаружив 264 различных метаболита. Для анализа использовалась тандемная масс-спектрометрия: относительно крупная молекула изолируется, разбивается на более мелкие фрагменты, которые анализируются химически, а собранная информация о фрагментах используется для понимания структуры исходной молекулы. Гены и пути синтеза цианобактерий были идентифицированы с использованием данных и инструментов базы данных DOE JGI Integrated Microbial Genomes.

Это исследование развивает предыдущее открытие неожиданных метаболитов, включая гистидин-бетаин и его производные, впервые идентифицированных у цианобактерий в 2010 году первым автором работы Ричардом Бараном. «Нам было интересно, присутствуют ли они у других цианобактерий и можно ли связать их с конкретными генами», — сказал Баран.

Междисциплинарная команда под руководством Трента Нортена, штатного учёного из Отдела наук о жизни Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли и недавнего сотрудника DOE JGI, опубликовала результаты в журнале Marine Drugs 30 сентября. Проект является примером цели DOE JGI по расширению своих возможностей в рамках 10-летнего видения по изучению метаболических путей растений, грибов и микробов.

Команда обнаружила бетаины у девяти из десяти изученных цианобактерий. Ещё одним неожиданным открытием стало то, что один из видов, Microcoleus vaginatus, производил серию необычных сахарных полимеров. M. vaginatus обитает в почвенных корках — почвах в засушливом климате, скреплённых органическим материалом и микроорганизмами. Баран и Нортен предполагают, что M. vaginatus выделяет эти углеводы, чтобы формировать почвенную корку.

Для нескольких изученных соединений были идентифицированы соответствующие гены, однако для большинства метаболитов связать их с конкретными генами не удалось, так как выборка из 10 видов была недостаточно велика. Исследователи предполагают, что масштабирование подобных усилий с включением большего числа штаммов позволит не только обнаружить гораздо больше новых метаболитов, но и выявить гены, контролирующие их производство. В дальнейшем они планируют изучить, как метаболиты цианобактерий влияют на окружающую пищевую сеть и используются соседними организмами.