Красные дрожжи из глубоководных отложений обладают противораковыми и антибактериальными свойствами
Многочисленные природные соединения ждут своего открытия в различных природных средах. Особенно микроорганизмы, такие как бактерии или грибы, способны производить разнообразные природные соединения с высоким потенциалом биомедицинского применения, в частности, в качестве антибиотиков и противораковых агентов. К ним относятся так называемые красные дрожжи вида Rhodotorula mucilaginosa, выделенные из образца глубоководных отложений Срединно-Атлантического хребта и проанализированные на геном и химический состав исследователями из GEOMAR Центра морской биотехнологии (GEOMAR-Biotech) GEOMAR Гельмгольцевского центра океанических исследований Киля и Кильского университета (CAU). Совместными усилиями ученым удалось продемонстрировать их противораковое и антибактериальное действие. Это исследование, частично финансируемое Кильской морской наукой (KMS) Кильского университета, недавно было опубликовано в авторитетном научном журнале Marine Drugs.
Уникальная возможность представилась исследователям из отдела ботанической генетики и молекулярной биологии Кильского университета под руководством профессора Франка Кемпкена. Через Институт геонаук Кильского университета его группа получила доступ к образцам отложений Срединно-Атлантического хребта с глубины 1600–4000 м, собранным во время исследовательского рейса немецкого научно-исследовательского судна MARIA S. MERIAN. Из одного из этих кернов, отобранного на глубине 3600 м, группе профессора Кемпкена удалось выделить и культивировать живые грибы вида Rhodotorula mucilaginosa. Этот медленнорастущий тип дрожжей, относящийся к так называемым базидиомицетным дрожжам, не следует путать с хорошо известными пекарскими дрожжами. Вид изначально растет на большой глубине, выдерживая высокое гидростатическое давление и довольно низкие температуры.
«С помощью примененной методологии нам удалось культивировать колонии дрожжей, которые могут выдерживать и расти при комнатной температуре и атмосферном давлении. Эти эксперименты еще раз показали, что микроорганизмы со специфическими физиологическими свойствами процветают в определенных экологических нишах. Предположение об адаптивности этого особого рода побудило нас к дальнейшему анализу этого вида», — говорит Кемпкен, чья исследовательская группа анализирует геномы морских грибов более десяти лет.
Постдок д-р Абхишек Кумар (Кильский университет), разделяющий первое авторство с д-ром Ларисой Бюденбендер из GEOMAR в текущем исследовании, в итоге смог собрать геном Rhodotorula mucilaginosa, соединив миллионы секвенированных фрагментов ДНК. Более того, были идентифицированы гены, кодирующие ключевые компоненты пути биосинтеза гликолипидов — важного пути с точки зрения разработки природных веществ для различных применений в медицине и биотехнологии, пищевой, химической промышленности или сельском хозяйстве.
Анализ полного метаболомного потенциала гриба сложен, поскольку многие природные продукты производятся только в особых условиях в их естественной среде. Поскольку невозможно воспроизвести условия Срединно-Атлантического хребта в лаборатории, профессор Дениз Ташдемир, руководитель исследовательского подразделения химии морских природных соединений в GEOMAR и директор GEOMAR-Biotech, и д-р Лариса Бюденбендер решили проанализировать продукцию метаболитов и биоактивность красных дрожжей в различных условиях роста.
«Мы наблюдали дифференциальную биоактивность, зависящую от среды: она была либо ингибирующей рак, либо антимикробной», — говорит профессор Ташдемир. Далее они исследовали химический состав, так называемый метаболом дрожжей, с помощью алгоритмической автоматизированной метаболомики. Он показал, что красные дрожжи чрезвычайно богаты гликолипидами, называемыми сложными эфирами полиолов и жирных кислот (PEFA), безфосфорными структурными компонентами клеточных мембран, возможно, защищающими дрожжи от осмотического давления в глубоководной среде. Профессор Ташдемир говорит: «Мы обнаружили, на первом этапе наших исследований, многие десятки таких соединений в дрожжах, что подтвердило исследования геномного майнинга, проведенные нашими коллегами из Кильского университета».
Д-р Бюденбендер использовала целевой подход для очистки структурно очень похожих, а потому трудно очищаемых соединений. «Несколько выделенных PEFA были новыми для литературы, и мы определили их очень сложные химические структуры. Кажется, что эти соединения проявляют более высокую противораковую активность, когда встречаются вместе — явление, называемое синергизмом, и мы пытаемся понять причины этого эффекта», — говорит профессор Ташдемир.
Плодотворное сотрудничество этих двух взаимодополняющих рабочих групп в GEOMAR и Кильском университете с применением множественных омиксных стратегий позволило выяснить биосинтез новых природных соединений из глубоководных красных дрожжей как на уровне ДНК, так и на уровне метаболитов. Результаты, полученные с этими маслянистыми красными дрожжами, могут способствовать разработке новых фармацевтических препаратов, но также могут найти биотехнологическое применение в пищевой, химической или сельскохозяйственной промышленности и даже в биотопливе в будущем.