Bioróżnorodność jako podstawa nowych leków: myksobakterie źródłem nowych substancji przeciwdrobnoustrojowych

Bioróżnorodność mikroorganizmów może być jednym z kluczowych zasobów w poszukiwaniu nowych leków przeciwdrobnoustrojowych. Naukowcy z Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland opisali 118 nowych myksobakterii i zsekwencjonowali ich genomy. Analizy ujawniły liczne nieznane wcześniej szlaki biosyntezy, a badacze zidentyfikowali także pięć nowych klas substancji naturalnych o potencjalnym działaniu przeciwgrzybiczym, przeciwwirusowym i przeciwbakteryjnym.

W artykule:

• Dlaczego myksobakterie są interesującym źródłem nowych leków
• 118 nowych przedstawicieli Myxococcota i ich zsekwencjonowane genomy
• Rozszerzenie znanej różnorodności z 11 do 28 rodzin i z 32 do 90 rodzajów
• ABC-Myxo – atlas regionów genomu odpowiedzialnych za biosyntezę substancji naturalnych
• Pięć nowych klas związków o potencjalnej aktywności biologicznej
• Znaczenie bioróżnorodności dla poszukiwania nowych leków przeciwzakaźnych

Myksobakterie jako źródło nowych substancji biologicznie czynnych

Większość antybiotyków stosowanych klinicznie wywodzi się z naturalnych substancji wytwarzanych przez bakterie oraz inne mikroorganizmy. W Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS) naukowcy wykorzystują żyjące w glebie myksobakterie jako potencjalne źródło nowych związków biologicznie czynnych.

Szczególnie interesujące są mikroorganizmy, które dotychczas pozostawały słabo poznane. Im większa różnorodność biologiczna analizowanych bakterii, tym większe prawdopodobieństwo znalezienia nieznanych wcześniej cząsteczek oraz genetycznych szlaków odpowiedzialnych za ich biosyntezę.

Zespół HIPS przez dziesięciolecia systematycznie poszerzał kolekcję myksobakterii, izolując mikroorganizmy przede wszystkim z próbek gleby. Obecnie zarówno zgromadzone szczepy, jak i związane z nimi dane genetyczne mają zostać szerzej udostępnione środowisku naukowemu. Wyniki tych prac opublikowano w czasopiśmie Advanced Science.

118 nowych myksobakterii i znaczące poszerzenie znanej różnorodności

Rosnąca na świecie oporność bakterii na antybiotyki zwiększa znaczenie badań nad nowymi substancjami przeciwdrobnoustrojowymi. Produkty naturalne pozostają jednym z istotnych kierunków takich poszukiwań, a myksobakterie są pod tym względem szczególnie interesujące, ponieważ w porównaniu z wieloma innymi grupami mikroorganizmów nadal pozostają stosunkowo słabo poznane.

W opublikowanej pracy naukowcy opisali 118 nowych myksobakterii i przedstawili ich zsekwencjonowane genomy, znacząco powiększając zasób dostępnych danych genomowych dotyczących tej grupy mikroorganizmów. HIPS jest jednostką Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung działającą we współpracy z Universität des Saarlandes.

Dotychczas w obrębie badanej grupy myksobakterii znano zaledwie 11 rodzin i 32 rodzaje. Zespół kierowany przez prof. Rolfa Müllera, dyrektora naukowego HIPS i kierownika działu „Mikrobielle Naturstoffe”, przez dziesięciolecia gromadził próbki gleby i izolował z nich przede wszystkim myksobakterie.

W działania włączyli się również uczestnicy obywatelskiego projektu naukowego Microbelix, którzy dostarczali badaczom próbki środowiskowe. Dzięki prowadzonym pracom rozpoznaną różnorodność tych potencjalnych producentów substancji naturalnych zwiększono do 28 rodzin i 90 rodzajów.

Badacze odczytali także materiał genetyczny wszystkich nowo opisanych przedstawicieli myksobakterii.

Jak podkreśla dr Ronald Garcia z działu „Mikrobielle Naturstoffe”, nowo wyizolowane bakterie oraz ich sekwencje genomowe stanowią bogate źródło nieznanych wcześniej substancji naturalnych i ich genetycznych „planów produkcyjnych”. Według badacza praktycznie w każdym z analizowanych genomów znajdowano kilka sekwencji genowych związanych z wytwarzaniem potencjalnych substancji czynnych, których wcześniej nie opisano.

ABC-Myxo udostępnia dane badaczom z całego świata

Aby umożliwić wykorzystanie zgromadzonych danych innym zespołom badawczym, naukowcy z HIPS stworzyli ABC-Myxo – interaktywny internetowy atlas regionów genomowych, za pomocą których myksobakterie mogą wytwarzać substancje biologicznie czynne.

Narzędzie ma być bezpłatnie dostępne dla naukowców na całym świecie. Same szczepy bakteryjne będą natomiast przechowywane i udostępniane do celów badawczych przez Leibniz-Institut DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen.

Takie rozwiązanie może mieć istotne znaczenie dla badań nad produktami naturalnymi. Udostępnienie zarówno żywych mikroorganizmów, jak i ich danych genomowych pozwala innym zespołom poszukiwać interesujących klastrów genów biosyntetycznych, analizować kodowane przez nie metabolity oraz oceniać potencjał biologiczny wytwarzanych związków.

Pięć nowych klas substancji naturalnych

Zespół wykazał również, że poszerzanie różnorodności badanych bakterii może rzeczywiście prowadzić do odkrywania nowych substancji naturalnych. W pracy opisano pięć nowych klas związków.

• Myxoquaterine wykazywały aktywność przeciwgrzybiczą.
• Sandacrabine charakteryzowały się aktywnością przeciwwirusową.
• Sandarazole wykazywały działanie przeciwbakteryjne.
• Odkryto nowe siderofory Sorangibactin.
• Pyxidicycline opisano jako nową grupę inhibitorów topoizomerazy.

Wyniki pokazują zatem, że zwiększenie liczby analizowanych, wcześniej słabo poznanych mikroorganizmów nie ogranicza się do rozszerzenia katalogu taksonomicznego. Może bezpośrednio zwiększać zakres dostępnej przestrzeni chemicznej oraz liczbę potencjalnych kandydatów do dalszych badań nad nowymi substancjami biologicznie czynnymi.

Bioróżnorodność drobnoustrojów a poszukiwanie nowych leków

Prof. Rolf Müller zwraca uwagę, że uzyskane dane pokazują znaczenie bioróżnorodności mikroorganizmów dla odkrywania nowych produktów naturalnych i potencjalnych substancji leczniczych. W przypadku dobrze poznanych mikroorganizmów prawdopodobieństwo odkrycia całkowicie nowych związków może być mniejsze, ponieważ ich metabolizm wtórny był już wielokrotnie analizowany.

Znacznie słabiej zbadane myksobakterie mogą natomiast zawierać geny odpowiadające za syntezę struktur chemicznych, które wcześniej nie zostały scharakteryzowane. Rozbudowana kolekcja HIPS ma z tego względu stanowić zasób do dalszych badań nad nowymi cząsteczkami, w tym potencjalnymi lekami stosowanymi w chorobach zakaźnych.

Projekt Microbelix angażuje również społeczeństwo

Poszerzanie kolekcji myksobakterii może być kontynuowane także przy udziale osób niezwiązanych zawodowo z nauką. W ramach projektu nauki obywatelskiej Microbelix zainteresowane osoby mogą pobierać próbki gleby w miejscach o charakterze zbliżonym do naturalnego i przekazywać je naukowcom z HIPS.

Próbki są następnie wykorzystywane do poszukiwania kolejnych mikroorganizmów. W ten sposób uczestnicy projektu mogą przyczyniać się do rozszerzania bioróżnorodności kolekcji, która w przyszłości może dostarczać kolejnych kandydatów do badań nad substancjami biologicznie czynnymi.

W praktyce klinicznej

Przedstawione wyniki dotyczą przede wszystkim etapu odkrywania i charakteryzowania nowych związków naturalnych. Samo wykazanie aktywności biologicznej substancji nie oznacza jeszcze możliwości jej zastosowania jako leku. Odkryte cząsteczki stanowią jednak punkt wyjścia do dalszych badań nad mechanizmem działania, aktywnością przeciwdrobnoustrojową oraz możliwością rozwoju nowych kandydatów na leki.

W kontekście narastającego problemu antybiotykooporności szczególne znaczenie ma zwiększanie chemicznej i biologicznej różnorodności zasobów wykorzystywanych w badaniach przesiewowych. Praca zespołu HIPS pokazuje, że systematyczne poznawanie słabo zbadanych grup mikroorganizmów może ujawniać nie tylko nowe taksony, lecz również nieznane wcześniej szlaki biosyntetyczne i klasy związków biologicznie czynnych.