Ученые подслушали химический разговор человеческого микробиома
Новое исследование под руководством Мохамеда Донии из Принстона, опубликованное в журнале Science 13 декабря 2019 года, дает ученым новые инструменты для изучения человеческого микробиома — микробного сообщества, играющего ключевую роль в здоровье и болезнях.
Обычный подход к изучению микробиома — культивирование отдельных микробов в лаборатории. Однако этот метод сложен для редких видов. Альтернатива — изучение микробиома in situ, включая анализ того, как микробы общаются и конкурируют с помощью биологически активных малых молекул.
Группа Донии поставила цель идентифицировать гены, производящие такие молекулы (биосинтетические генные кластеры, BGC), напрямую в клинических образцах. Это позволило бы «подслушать» химический диалог.
Исследователи разработали компьютерные алгоритмы для обнаружения BGC путем анализа метагеномных данных — генетических последовательностей, полученных из тканей или выделений сотен людей. Алгоритмы находят в данных фрагменты генов, гомологичных известным ключевым генам синтеза, группируют их и собирают в полные BGC. Этот подход позволяет находить даже крайне редкие кластеры.
Для проверки метода ученые искали BGC, участвующие в синтезе поликетидов типа II. Этот класс соединений, включающий противоопухолевый доксорубицин и несколько антибиотиков, ранее находили только у почвенных бактерий, но не в человеческом микробиоме.
«К нашему удивлению, мы обнаружили 13 таких генных кластеров, широко распространенных в микробиоме кишечника, полости рта и кожи у людей от США до Фиджи», — говорит Дония.
Чтобы проверить, производят ли новые BGC поликетиды типа II, ученые перенесли гены из двух кластеров в лабораторные бактерии и с помощью масс-спектрометрии обнаружили новые химические продукты. Было выделено пять новых молекул.
«Две из пяти новых молекул — мощные антибиотики, столь же эффективные, как их клинически используемые аналоги, против соседних микробов в оральном микробиоме», — отмечает Дония. Это раскрывает потенциальный механизм конкуренции за экологическую нишу и защиты от патогенов.
Теперь с помощью этой технологии можно «просеивать» наш собственный микробиом в поисках новых лекарств или биологических взаимодействий. «Мы исследовали только один клинически важный класс молекул — впереди еще десятки, и мы даже не можем предсказать, что обнаружим!» — заключает Дония.