Реконструкция древних бактериальных геномов может возродить неизвестные молекулы — потенциальный источник новых антибиотиков

Бактерии — искусные химики, способные производить впечатляющее разнообразие химических соединений, известных как природные продукты. Эти метаболиты дают микробам эволюционные преимущества, например, помогают взаимодействовать друг с другом или с окружающей средой и защищаться от угроз. Из-за разнообразия функций многие бактериальные природные продукты используются в медицине как антибиотики и противораковые препараты.

Современные микробные виды представляют лишь крошечную долю огромного разнообразия микробов, населявших Землю за последние 3 миллиарда лет. Исследование этого микробного прошлого открывает возможности для восстановления утраченной химии.

Прямое изучение этих метаболитов в археологических образцах практически невозможно из-за их плохой сохранности. Однако их реконструкция с использованием генетических «чертежей» давно умерших микробов может стать решением.

Наша команда антропологов, археогенетиков и биохимиков изучает древние микробы. Создав ранее неизвестные химические соединения из реконструированных геномов древних бактерий, наше новое исследование представляет доказательство концепции потенциального использования ископаемых микробов как источника новых лекарств.

Реконструкция древних геномов

Клеточные механизмы, производящие бактериальные природные продукты, закодированы в генах, которые обычно расположены близко друг к другу, образуя биосинтетические кластеры генов. Такие гены трудно обнаружить и восстановить из древней ДНК, потому что очень старый генетический материал со временем разрушается, фрагментируясь на тысячи или даже миллионы частей. В результате получаются многочисленные крошечные фрагменты ДНК длиной менее 50 нуклеотидов, перемешанные, как запутанный пазл.

Мы секвенировали миллиарды таких древних фрагментов ДНК, а затем усовершенствовали биоинформатический процесс de novo сборки, чтобы цифровым способом упорядочить древние фрагменты ДНК в последовательности длиной до 100 000 нуклеотидов — улучшение в 2000 раз. Этот процесс позволил нам определить не только наличие генов, но и их порядок в геноме, а также отличия от известных сегодня бактериальных генов — ключевую информацию для раскрытия их эволюционной истории и функции.

Этот метод позволил нам беспрецедентно изучить геномы микробов, живших до 100 000 лет назад, включая виды, неизвестные сегодня. Наши находки отодвигают ранее самый старый реконструированный микробный геном более чем на 90 000 лет.

В микробных геномах, реконструированных нами из ДНК, извлеченной из древнего зубного камня, мы обнаружили кластер генов, который был распространен у большого числа неандертальцев и анатомически современных людей эпохи среднего и верхнего палеолита (300 000–12 000 лет назад). Этот кластер имел молекулярные признаки очень древней ДНК и принадлежал бактериальному роду Chlorobium (зеленые серные бактерии, способные к фотосинтезу).

Мы вставили синтетическую версию этого кластера генов в «современную» бактерию Pseudomonas protegens, чтобы она могла производить химические соединения, закодированные в древних генах. Используя этот метод, мы смогли выделить два ранее неизвестных соединения, названных палеофуран А и B, и определить их химическую структуру. Ресинтез этих молекул в лаборатории с нуля подтвердил их структуру и позволил получить большие количества для дальнейшего анализа.

Реконструировав эти древние соединения, наши результаты показывают, как археологические образцы могут служить новыми источниками природных продуктов.

Добыча древних природных продуктов

Микробы постоянно эволюционируют и адаптируются к окружающей среде. Поскольку среды их обитания сегодня отличаются от сред их предков, современные микробы, вероятно, производят иные природные продукты, чем древние микробы десятки тысяч лет назад.

Всего 25 000–10 000 лет назад Земля пережила крупный климатический сдвиг при переходе от более холодной и изменчивой эпохи плейстоцена к более теплой и умеренной эпохе голоцена. Образ жизни людей также резко изменился: они стали жить вне пещер и все больше экспериментировать с производством пищи. Эти изменения привели их к контакту с другими микробами через сельское хозяйство, животноводство и новую искусственную среду. Изучение бактерий эпохи плейстоцена может дать представление о бактериальных видах и биосинтетических генах, которые больше не связаны с людьми сегодня, и, возможно, даже о вымерших микробах.

Хотя объем данных, собранных учеными о биологических организмах, экспоненциально вырос за последние десятилетия, количество новых антибиотиков осталось на прежнем уровне. Это особенно проблематично, когда бактерии способны уклоняться от существующих методов лечения быстрее, чем исследователи могут разработать новые.

Реконструируя микробные геномы из археологических образцов, ученые могут получить доступ к скрытому разнообразию природных продуктов, которые в противном случае были бы утрачены со временем, увеличивая число потенциальных источников для открытия новых лекарств.

Масштабирование древних молекул

Наше исследование показало, что доступ к природным продуктам прошлого возможен. Чтобы использовать огромное разнообразие химических соединений, закодированных в древней ДНК, нам теперь необходимо оптимизировать нашу методологию, сделав ее менее трудоемкой.

В настоящее время мы оптимизируем и автоматизируем наш процесс для более быстрого и надежного выявления биосинтетических генов в древней ДНК. Мы также внедряем роботизированные системы для жидкостной обработки, чтобы выполнять трудоемкие этапы пипетирования и культивирования бактерий в наших методах. Наша цель — масштабировать процесс, чтобы преобразовать огромный массив данных о древних микробах в открытие новых терапевтических агентов.

Хотя мы можем воссоздавать древние молекулы, их биологические и экологические роли трудно расшифровать. Поскольку бактерии, изначально производившие эти соединения, больше не существуют, мы не можем их культивировать или генетически модифицировать. Дальнейшее изучение должно будет полагаться на похожие бактерии, которые можно найти сегодня. Сохранились ли функции этих соединений у современных родственников древних микробов, еще предстоит проверить. Хотя первоначальные функции этих соединений для древних микробов могут быть неизвестны, они все еще могут быть перепрофилированы для лечения современных болезней.

В конечном счете, мы стремимся пролить новый свет на эволюцию микробов и бороться с текущим кризисом антибиотиков, предоставив новую временную ось для их открытия.