Супербактерии наступают, а почва отвечает: новые антибиотики из-под земли могут спасти мир

Почва — это настоящий микробный мир, скрывающий в себе колоссальное разнообразие бактерий, большинство из которых невозможно вырастить в лабораторных условиях. Это создает серьезные трудности для медицины, ведь многие современные антибиотики были созданы именно благодаря изучению микробов, доступных для культивирования. Однако с ростом устойчивости бактерий к существующим лекарствам и истощением запасов новых препаратов, ученые всё активнее ищут альтернативные источники биоактивных веществ. Почва, как крупнейший природный резервуар бактерий, становится главным объектом таких исследований.

Скрытый микробный мир почвы

В одной лишь чайной ложке почвы насчитываются тысячи различных видов бактерий. Несмотря на это, человечество изучило лишь небольшую часть микробного разнообразия, способного производить жизненно важные соединения. Ученые уверены, что среди некультивируемых бактерий скрываются не только новые лекарства, но и ключи к пониманию процессов, влияющих на климат, сельское хозяйство и экологию.

По словам Шона Ф. Брэди, руководителя лаборатории генетически кодируемых малых молекул в Рокфеллеровском университете, уученых есть технология, позволяющая увидеть мир микробов, ранее недоступный человеку.

Новый подход к изучению микробов

Традиционные методы требуют выращивания бактерий в лаборатории, что ограничивает доступ к большинству видов. Новая технология, описанная в журнале Nature Biotechnology, обходит это ограничение. Исследователи извлекают крупные фрагменты ДНК непосредственно из почвы и восстанавливают целые геномы ранее неизвестных бактерий, не прибегая к культивированию.

Ключевым элементом стала оптимизация способа выделения длинных фрагментов ДНК из природного материала. Использование нанопоров для секвенирования позволило получать непрерывные последовательности длиной в десятки тысяч пар оснований — это в 200 раз длиннее, чем ранее доступные технологии. Благодаря этому стало возможным собирать полные геномы из сложных образцов почвы.

Сейчас проще собрать целый геном из более крупных фрагментов ДНК, чем из миллионов крошечных фрагментов, как было доступно раньше.

От генома к лекарству: синтетическая биоинформатика

После восстановления геномов ученые применяют метод синтетических биоинформатических природных продуктов (synBNP). Этот подход позволяет предсказать химическую структуру биоактивных молекул на основе генетической информации, а затем синтезировать их в лаборатории. Так удалось получить два новых мощных антибиотика из некультивируемых бактерий.

Преимущества метода synBNP:

• позволяет работать с геномами, которые нельзя вырастить в культуре.
• ускоряет поиск и создание новых биоактивных соединений.
• открывает доступ к огромному числу ранее недоступных природных продуктов.

Результаты исследования

Анализ одного образца лесной почвы дал 2,5 терабазовых пары данных — это самое глубокое исследование почвенных микробов с использованием длинных прочтений. Получено сотни полных бактериальных геномов, из которых более 99% были новыми для науки. Исследователи смогли выделить представителей 16 основных ветвей бактериального древа.

Из обнаруженных молекул два лидера — эрутацидин и тригинтамицин — демонстрируют уникальные механизмы действия. Эрутацидин разрушает бактериальные мембраны, взаимодействуя с липидом кардиолипином, и эффективен против устойчивых штаммов. Тригинтамицин нацелен на белок ClpX, редкую антибактериальную мишень, что делает его перспективным антибиотиком.

Исторический контекст

Изучение бактерий почвы началось еще в середине XX века, когда были открыты первые антибиотики, такие как пенициллин и стрептомицин. Однако с тех пор методы резко изменились: от выращивания культур к молекулярным технологиям, которые позволяют исследовать микробное разнообразие без необходимости культивирования. Новые технологии открывают двери к неизведанным ресурсам природы.

А что если…

…применить этот подход к другим экосистемам, например, морским глубинам или человеческому микробиому? Это может открыть новые источники лекарств и расширить понимание микробных взаимодействий в природе и здоровье человека.

Исследование почвенных микробов с помощью современных технологий секвенирования и биоинформатики открывает новые горизонты в поиске антибиотиков и других биоактивных молекул. Возможность работать с некультивируемыми бактериями меняет подход к микробиологии и фармакологии, обещая революционные открытия.

Три интересных факта

1. В одной чайной ложке почвы содержится больше микробных клеток, чем людей на Земле.
2. Новые антибиотики, найденные с помощью метагеномики, могут бороться с самыми устойчивыми бактериями.
3. Метод synBNP позволяет создавать молекулы, которые невозможно получить традиционными способами.