Большинство бактерий не могут быть культивированы в лаборатории – и это были плохие новости для медицины. Многие из наших фронтальных антибиотиков происходили из микробов, однако, поскольку устойчивости к антибиотикам и лекарственные трубопроводы сушит, почва под нашими ногами имеет обширный скрытый резервуар неиспользованных спасительных соединений.
Теперь исследователи разработали способ получить доступ к этой микробной золотой жиле. Их подход, опубликованный в Nature Biotechnology, обходит необходимость выращивания бактерий в лаборатории путем извлечения очень больших фрагментов ДНК непосредственно из почвы, чтобы объединить геномы ранее скрытых микробов, а затем шахты, приводящие геномы для биологически активных молекул.
Из единого лесного образца команда генерировала сотни полных бактериальных геномов, которые никогда не видели раньше, а также два новых вывода антибиотиков. Результаты предлагают масштабируемый способ обыска некультируемых бактерий для новых лекарственных средств – и обнажают обширную, неизведанную микробную границу, которая формирует нашу окружающую среду.
«Наконец, у нас есть технология, чтобы увидеть микробный мир, который ранее был недоступен для людей», – говорит Шон Ф. Брэди, глава лаборатории генетически закодированных малых молекул в Рокфеллере. «И мы не просто видим эту информацию; мы уже превращаем ее в потенциально полезные антибиотики. Это только верхушка копья».
При охоте на бактерии почва является очевидным выбором. Это крупнейший, большинство биоразнообразных резервуаров бактерий на планете – одна чайная ложка из нее может содержать тысячи различных видов. Многие важные терапии, в том числе большая часть нашего антибиотического арсенала, были обнаружены в крошечной фракции почвенных бактерий, которые можно выращивать в лаборатории. И почва – грязь дешевая.
И все же мы очень мало знаем о миллионах микробов, упакованных в землю. Ученые подозревают, что эти скрытые бактерии содержат не только неиспользованный резервуар новой терапии, но и подсказки о том, как микробы формируют климат, сельское хозяйство и более широкую среду, в которой мы живем. «Во всем мире есть эта скрытая экосистема микробов, которая может оказывать существенное влияние на нашу жизнь», – добавляет Брейди. «Мы хотели наконец увидеть их».
Получение этого проблеска включало в себя сцепление нескольких подходов. Во-первых, команда оптимизировала метод изоляции больших высококачественных фрагментов ДНК непосредственно из почвы. Сочетание этого аванса с появляющимися длинно читаемыми секвенированием нанопора позволило Яна Буриану, постдокторанту в лаборатории Брэди, создавать непрерывные участки ДНК, которые составляли десятки тысяч пар оснований длиной – 200 раз больше, чем любая ранее существующая технология. Почвенная ДНК содержит огромное количество различных бактерий; Без таких больших последовательностей ДНК для работы, разрешение этой сложной генетической головоломки в полные и смежные геномы для разнородных бактерий оказались чрезвычайно трудными.
«Легче собрать целый геном из больших кусков ДНК, а не миллионы крошечных фрагментов, которые были доступны ранее», – говорит Брэди. «И это существенно имеет драматическое значение в вашей уверенности в ваших результатах».
Уникальные мелкие молекулы, такие как антибиотики, которые продукты бактерий называются «натуральными продуктами». Чтобы преобразовать недавно обнаруженные последовательности в биологически активные молекулы, команда применила подход синтетических биоинформатических натуральных продуктов (SYNBNP). Они биоинформационно предсказали химические структуры натуральных продуктов непосредственно из данных генома, а затем химически синтезировали их в лаборатории. С подходом SynBNP Брэди и его коллегам сумели превратить генетические чертежи из некультурных бактерий в реальные молекулы, включая два мощных антибиотика.
Брэди описывает метод, который является масштабируемым и может быть адаптирован практически к любому метагеномному пространству за пределами почвы, как трехэтапная стратегия, которая может начать новую эру микробиологии: «Изолировать большую ДНК, последовательность ее и вычислительно преобразовать его во что-то полезное».
Применяемый к их отдельной лесной почве, подход команды дал 2,5 терабазы данных последовательностей-самое глубокое длинное исследование одного образца почвы на сегодняшний день. Их анализ обнаружил сотни полных смежных бактериальных геномов, более 99 процентов из которых были совершенно новыми для науки и идентифицировали членов из 16 основных ветвей бактериального семейного древа.
Два обнаруженных свинцовых соединения могут привести к мощным антибиотикам. Один, называемый эрутацидина, нарушает бактериальные мембраны путем необычного взаимодействия с липидным кардиолипином и эффективен даже против самых сложных лекарственных бактерий. Другой, Trigintamicin, действует на мотор-переключающий белок, известный как CLPX, редкая антибактериальная мишень.
Брэди подчеркивает, что эти открытия – только начало. Исследование показывает, что ранее недоступные микробные геномы теперь могут быть декодированы и добыты для биологически активных молекул в масштабе без культивирования организмов. Разблокировка генетического потенциала микробной темной материи также может дать новое понимание скрытых микробных сетей, которые поддерживают экосистемы.
«В основном мы заинтересованы в небольших молекулах в качестве терапии, но есть приложения за пределами медицины», – говорит Буриан. «Изучение культурных бактерий привело к достижениям, которые помогли сформировать современный мир, и, наконец, увидеть и получить доступ к некультущению большинства, чтобы стимулировать открытие нового поколения».
Burian J, Boer Re, Cross and Morales A, Ziang L, Bhatacharjee A, Panfil C, Ternei MA, Brady SF.
Биоактивные молекулы, обнаруженные с помощью длинно читаемого секвенирования в масштабе терабазы метагенома почвы.
Nat Biotechnol. 2025 12 сентября. DOI: 10.1038/s41587-025-02810-w
Ещё по этой теме
