Gleba jako źródło nieznanych dotąd mikroorganizmów i antybiotyków

Większości bakterii nie można hodować w warunkach laboratoryjnych – a to od lat stanowi poważny problem dla medycyny. Wiele kluczowych antybiotyków pochodzi właśnie od mikroorganizmów, jednak w obliczu narastającej oporności bakterii i coraz uboższych zasobów nowych leków, gleba pod naszymi stopami kryje ogromny, niewykorzystany rezerwuar związków ratujących życie.

Zespół naukowców opracował teraz metodę pozwalającą dotrzeć do tego „mikrobiologicznego skarbca”. Ich podejście, opisane w czasopiśmie Nature Biotechnology, omija konieczność hodowli bakterii w laboratorium, polegając na bezpośredniej izolacji dużych fragmentów DNA z gleby i odtwarzaniu z nich genomów wcześniej niedostępnych drobnoustrojów, a następnie analizowaniu ich w poszukiwaniu bioaktywnych cząsteczek.

Już z jednej próbki leśnej gleby udało się uzyskać setki kompletnych genomów bakteryjnych nieznanych dotąd nauce oraz zidentyfikować dwa nowe związki o potencjalnym działaniu antybiotycznym. Wyniki te otwierają drogę do systematycznego badania trudnych w hodowli bakterii pod kątem nowych leków oraz ujawniają olbrzymi, nieznany wcześniej mikrobiologiczny świat, który współtworzy nasze środowisko.

Sean F. Brady, kierownik Laboratory of Genetically Encoded Small Molecules na Uniwersytecie Rockefellera, podkreśla: „Wreszcie mamy technologię, która pozwala nam zajrzeć do mikrobiologicznego świata wcześniej niedostępnego dla człowieka. I nie tylko go widzimy – potrafimy już przekształcać tę wiedzę w potencjalnie użyteczne antybiotyki. To dopiero początek.”

Ukryte życie bakterii

Gleba stanowi największy i najbardziej zróżnicowany rezerwuar bakterii na Ziemi – jedna łyżeczka może zawierać tysiące gatunków. To właśnie z niewielkiego odsetka bakterii glebowych możliwych do hodowli w laboratorium wywodzi się większość stosowanych antybiotyków.

Jednak o milionach mikroorganizmów ukrytych w glebie wiemy nadal bardzo niewiele. Naukowcy podejrzewają, że mogą one kryć nie tylko ogromny potencjał terapeutyczny, lecz także wskazówki dotyczące wpływu drobnoustrojów na klimat, rolnictwo i całe środowisko naturalne.

Aby uzyskać wgląd w tę „mikrobiologiczną ciemną materię”, badacze zoptymalizowali metodę izolacji długich fragmentów DNA bezpośrednio z gleby. W połączeniu z nowymi technologiami sekwencjonowania długołańcuchowego udało się stworzyć ciągłe odcinki DNA obejmujące dziesiątki tysięcy par zasad – nawet 200 razy dłuższe niż dotychczas możliwe. To pozwoliło na złożenie kompletnych genomów setek dotąd nieznanych bakterii.

Kolejnym krokiem było zastosowanie podejścia synBNP (synthetic bioinformatic natural products), które umożliwia bioinformatyczne przewidywanie struktur chemicznych naturalnych produktów, a następnie ich syntezę w laboratorium. Dzięki temu zespół Bradego przełożył sekwencje genetyczne niehodowanych bakterii na realne cząsteczki – w tym dwa nowe, obiecujące antybiotyki.

W analizowanej próbce leśnej uzyskano łącznie 2,5 Tb (terabaz par zasad DNA) danych sekwencyjnych, co stanowi najgłębsze dotąd badanie gleby metodą long-read. Zidentyfikowano setki kompletnych genomów bakteryjnych, z których ponad 99% było całkowicie nowych dla nauki, obejmujących 16 głównych gałęzi drzewa filogenetycznego bakterii.

Odkryte związki to:

• erutacydyna, która zaburza błonę komórkową bakterii poprzez nietypową interakcję z lipidem kardiolipiną i wykazuje skuteczność wobec wielolekoopornych szczepów,
• trigintamycyna, działająca na rzadki cel bakteriologiczny – białkowy silnik rozfałdowujący ClpX.

Zdaniem Bradego jest to dopiero początek – po raz pierwszy udało się w pełni zdekodować i wykorzystać potencjał genetyczny mikroorganizmów wcześniej niedostępnych w hodowli. W przyszłości technologia ta może nie tylko dostarczać nowych leków, ale także ujawniać mechanizmy ekologiczne regulujące funkcjonowanie ekosystemów.

Źródło: Nature Biotechnology, Hundreds of new bacteria, and two potential antibiotics, found in soil
DOI: http://dx.doi.org/10.1038/s41587-025-02810-w