Секвенирование длинных фрагментов ДНК из почвы обнаружило новые таксоны бактерий и антибиотики

Исследователи из Рокфеллеровского университета разработали метод выделения метагеномной ДНК из образцов почвы для последующего нанопорового секвенирования. Таким способом авторы прочитали сотни полных кольцевых геномов из одного образца почвы и в них идентифицировали новые пути синтеза антибиотиков. Они предсказали структуру нерибосомных антимикробных пептидов, которые могут синтезировать микроорганизмы, на основе кластеров биосинтетических генов, обнаруженных в их геномах.

Обычно, при исследовании метагеномов можно получить представление об их разнообразии, секвенируя ампликоны участков генов 16S рибосомной РНК. Также можно получить протяженные последовательности геномов путем сборки из коротких фрагментов (metagenome-assembled genome, MAG). Проведя 16S-профилирование, авторы обнаружили более 4500 уникальных видов, в том числе некультивируемые. В геномах четырех семейств — UBA5704, Pseudonocardiaceae, Streptomycetaceae и UBA11063 — встречалось более трех кластеров биосинтетических генов (BGC) на 1 Mb нуклеотидной последовательности. По информации о последовательности BGC, кодирующих синтазы нерибосомных пептидов, можно предсказать строение пептида. Авторы выполнили сборку этих BGC и для 20 из них предсказали разные варианты продуктов — линейных или циклических пептидов.

Для всех синтезированных пептидов провели скрининг биоактивности против грамположительных модельных микроорганизмов Bacillus subtilis и Staphylococcus aureus, а также грамотрицательной Escherichia coli. Пять наиболее перспективных затем проверили на активность против патогенов ESKAPE (Enterococcus faecium, S. aureus, Klebsiella pneumoniae, Acetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa и Enterobacter cloacae), а также на токсичность для клеток человека.

Внимание исследователей привлекли два соединения. Одно из них, SynBNP 25, было мощным антибиотиком широкого спектра действия и не обладало цитотоксичностью, его назвали «эрутацидин» (от латинского erutus — «выкопанный»). Второе, SynBNP 27, которое проявило мощную активность против золотистого стафилококка S. aureus, получило название тригинтамицин.

Исследование механизмов действия показало, что тригинтамицин нацелен на АТФазу ClpX, которая не является необходимой для многих бактерий, а эрутацидин взаимодействует с кардиолипином и может также взаимодействовать с другими родственными липидными структурами. Это редкий механизм действия, не представленный среди используемых в клинике антибиотиков, поэтому можно надеяться, что эрутацидин будет активен против против патогенов с множественной лекарственной устойчивостью.

Предложенный подход расширяет возможности метагеномики по изучению огромного генетического разнообразия некультивируемых бактерий и поиску биоактивных молекул, которые они могут синтезировать.

Источник: pcr.news.