Генетически различные популяции грибов производят уникальные наборы полезных соединений
Ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж и Университета Висконсин-Мэдисон обнаружили, что генетически различные популяции внутри одного вида грибов могут продуцировать уникальные смеси вторичных метаболитов — органических соединений, применяемых в медицине, промышленности и сельском хозяйстве. Это открытие может открыть новые пути для открытия лекарств и углубить понимание эволюции грибов.
В природе вторичные метаболиты помогают грибам взаимодействовать со средой. Для человека они могут быть полезными или вредными. Например, метаболит пенициллин помогает и грибам, и людям бороться с бактериями. В то же время метаболит афлатоксин может защищать некоторые грибы от насекомых, но способен вызывать рак печени и нарушения развития у людей.
Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, представляет собой сдвиг от традиционного представления об эволюции грибов, основанного на идее относительно случайного генетического разнообразия внутри вида.
"До этого исследования большинство людей просто смотрели на один штамм вида грибов, один геном, и предполагали, что присутствующие метаболиты должны быть одинаковыми среди всех штаммов. Это исследование показывает, что это не обязательно так", — отметил Томáс Раш, соавтор работы.
"Мы показали, что по крайней мере у некоторых видов существуют субпопуляции, каждая из которых имеет свой собственный репертуар вторичных метаболитов и, вероятно, эволюционирует в ответ на местные условия", — сказал Микки Дротт, ведущий автор исследования.
От генетики к "реальному миру"
Исследование началось с анализа 94 штаммов Aspergillus flavus (известного патогена растений и человека), отобранных в восточных и центральных штатах США. Анализ полных геномов показал, что штаммы образуют три генетически различные популяции.
Ученые сфокусировались на биосинтетических кластерах генов (BGCs) — группах генов, ответственных за производство вторичных метаболитов. После исключения тысяч дубликатов осталось 92 уникальных кластера. Оказалось, что 25% этих уникальных кластеров демонстрируют вариации, соответствующие генетически различным популяциям.
Для валидации результатов в ORNL использовали жидкостную хроматографию с масс-спектрометрией и сверхвысокоэффективную масс-спектрометрию для анализа образцов метаболитов каждого штамма. Сравнение химических "отпечатков пальцев" (паттернов фрагментации) подтвердило популяционно-специфичную вариацию вторичных метаболитов.
"Масштабный химический анализ, проведенный в ORNL, позволил перейти от изучения генетического разнообразия к пониманию того, что метаболиты различны. Это показало, что эти популяции могут выполнять различные экологические функции", — пояснил Дротт.
Значение для науки и промышленности
- Открытие лекарств: Фармацевтические компании, ищущие новые антибиотики или другие лекарства в грибах, не могут просто взять любой гриб определенного вида. В зависимости от происхождения образца, он может не продуцировать нужное соединение.
- Медицина: При лечении грибковых заболеваний знание того, какой штамм поражает пациента и каков его метаболомный профиль, может быть ключом к правильному лечению.
- Экология и изменение климата: Наличие дискретных популяций с разной экологией означает, что изменение среды, такое как глобальное потепление, может внезапно дать преимущество одной популяции над другой, потенциально вызывая вспышки патогенных для растений или человека грибов.
- Биоэкономика: Грибные соединения и процессы используются в производстве пестицидов, удобрений, ферментных моющих средств, продуктов питания (пиво, хлеб, сыр), а также для получения биотоплива и химикатов. Понимание популяционных различий критически важно при поиске новых молекул.
"Сегодня наша цивилизация действительно зависит от грибов. Эта работа важна, потому что она демонстрирует, что популяционные различия внутри вида очень значимы при поиске новых молекул для биоэкономики", — отметил соавтор исследования Джесси Лаббе.
Будущие исследования будут направлены на разработку методов для направленного получения и усиления специфических вторичных метаболитов с целью их детального изучения.