Грибы в кишечнике травоядных производят уникальные строительные блоки антибиотиков

Химик-инженер Мишель О'Мэлли несколько лет изучает анаэробные грибы, обитающие в кишечнике травоядных животных. Эти грибы помогают животным извлекать сахара и крахмал из волокнистых растений. Ранее её работа была сосредоточена на том, как использовать эти грибы для получения ценных продуктов из несъедобных частей растений (корней, стеблей, листьев), считающихся отходами.

Теперь её лаборатория обнаружила, что те же самые грибы, вероятно, производят новые "натуральные продукты", которые могут функционировать как антибиотики или другие соединения для биотехнологий. Исследование описано в статье "Анаэробные кишечные грибы — неиспользованный резервуар натуральных продуктов", опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Микроорганизмы часто синтезируют натуральные продукты в качестве защиты от угроз и для конкуренции с другими микробами. Многие из таких продуктов стали источником антибиотиков для борьбы с болезнями у людей. Анаэробные грибы не используют кислород для производства этих веществ, что делает процесс энергетически более затратным. Поэтому любые производимые ими соединения должны быть крайне эффективными.

В 2017 году лаборатория О'Мэлли предоставила Министерству энергетики США несколько анаэробных кишечных грибов для секвенирования. В ходе этой работы учёные обнаружили неожиданную находку: биосинтетические генные кластеры (BGCs) — "строительные блоки", из которых обычно создаются антибиотики.

"BGCs расположены рядом в геноме и участвуют в поэтапных химических реакциях. В данном случае они загружают молекулу на фермент, химически её модифицируют, а затем передают следующему ферментативному модулю, создавая всё более сложную молекулу", — пояснила О'Мэлли.

Этот процесс молекулярной "сборочной линии" важен, так как имитирует способ производства многих антибиотиков. BGCs также могут быть полезны для создания ценных химических веществ, например, в качестве "готовых" биотоплив, покрытий или мономеров для новых материалов.

Ведущий автор статьи Кэндис Свифт, получившая докторскую степень в лаборатории О'Мэлли, показала, что BGCs не только присутствуют в неожиданном месте (анаэробные грибы ранее не считались обладателями антибиотических свойств), но и активны — они транскрибируются и фактически что-то производят.

Анализ Свифт предполагает, что обнаруженные соединения ранее не были идентифицированы. "Мы их обнаружили, и, исходя из известного о таких биосинтетических генных кластерах, они могут производить новые антибиотики", — сказала О'Мэлли. Это пока не доказано, но логично, так как грибы существуют как меньшинство в своём сообществе и, вероятно, обладают преимуществом, позволяющим им выживать в условиях жёсткой конкуренции.

Если анаэробные грибы действительно производят новые антибиотики, ключом к их масштабированию является понимание того, как они построены. "Если вы выясните генетический рецепт их создания, будет достаточно просто применить его в другой системе", — отметила О'Мэлли. Она добавила, что научное сообщество "стало довольно искусным в создании антибиотиков рекомбинантным путём или с помощью генной инженерии", и все или почти все антибиотики происходят из натуральных продуктов.

Следующий этап исследования будет включать использование генетических инструментов для увеличения производства и выделения соединений, чтобы точно определить, что именно синтезируется. Для этой работы О'Мэлли сотрудничает с другими исследователями в рамках платформы BioPACIFIC MIP, финансируемой Национальным научным фондом США как совместный проект UCSB и UCLA.