Badania farmaceutyczne Bakterie torfowiskowe mogą przyczynić się do powstania nowych leków

Naukowcy z branży farmaceutycznej często czerpią inspirację z natury przy opracowywaniu nowych substancji czynnych. Międzynarodowa grupa badawcza przeanalizowała genomy bakterii torfowiskowych, aby lepiej zrozumieć, kiedy uruchamiane są określone procesy syntezy substancji naturalnych.

Wiele najważniejszych leków – przede wszystkim antybiotyków – opiera się na substancjach wytwarzanych przez bakterie w naturze. Mikroorganizmy wykorzystują te cząsteczki substancji czynnych jako broń biochemiczną przeciwko konkurentom lub wiążą za ich pomocą składniki odżywcze z otoczenia. Jak rozległy jest mikrobiologiczny zestaw narzędzi pochodzących z ekstremalnych siedlisk, pokazuje nowe badanie przeprowadzone przez zespół badawczy z klastra doskonałości „Balance of the Microverse” Uniwersytetu im. Friedricha Schillera w Jenie (FSU), w którym uczestniczą Uniwersytet im. Heinricha Heinego w Düsseldorfie (HHU), Uniwersytet Delaware oraz Niemieckie Centrum Integracyjnych Badań nad Różnorodnością Biologiczną (iDiv) w Halle-Jenie-Lipsku. Naukowcy dokładnie zbadali genom bakterii pochodzących z torfowiska, o czym informują w najnowszej publikacji. Do analizy wykorzystali próbki torfu z torfowiska Schlöppnerbrunnen w bawarskim paśmie górskim Fichtelgebirge. Wykorzystując sekwencjonowanie o wysokiej przepustowości oraz tzw. metagenomikę – polegającą na analizie genomu całej społeczności mikroorganizmów bezpośrednio z próbki środowiskowej – zdeszyfrowali genom tamtejszych mikroorganizmów.

Odkryto liczne, nieznane dotąd klastry genów

Po odrzuceniu niekompletnych fragmentów naukowcy natrafili na nieco ponad 8 000 tak zwanych klastrów genów biosyntezy: odcinków materiału genetycznego, które kodują mechanizmy odpowiedzialne za syntezę związków biologicznie czynnych. Co zaskoczyło naukowców: około 97 procent z nich nie dało się przyporządkować do żadnej znanej dotychczas rodziny klastrów genowych. Stanowią one dotychczas nieznany obszar badań biochemicznych. 

Nawet niewielkie torfowisko kryje w sobie zadziwiającą różnorodność wzorów budowy substancji naturalnych. Wiele z nich pochodzi od mikroorganizmów, które jak dotąd trudno nam badać w laboratorium.

Pierwszy autor: dr Zander Human, Uniwersytet im. Friedricha Schillera w Jenie

Obecność planu budowy w genomie nie oznacza jednak automatycznie, że dana substancja jest faktycznie wytwarzana w naturze. Autorzy badania poszli zatem o krok dalej i przeanalizowali tzw. RNA posłańcza (mRNA), aby zidentyfikować geny aktywnie wykorzystywane na torfowisku. Ich niezwykły wynik: Tylko około 9–27 procent wykrytych klastrów genowych było w ogóle aktywnych. Natomiast grupy bakterii, które wykazywały duży potencjał genetyczny w zakresie substancji naturalnych – z ponad 20 różnymi planami budowy w genomie – wykazywały na torfowisku jedynie ograniczoną aktywność metaboliczną. 

Zamiast tego dominowały tak zwane bakterie kwasotolerancyjne: mimo że mają one stosunkowo mniejszy repertuar genów, to właśnie od nich pochodziło ponad dwie trzecie zmierzonych sygnałów genowych. Dane wskazują ponadto na wyraźną prawidłowość: bakterie kwasowe zwiększały aktywność genów odpowiedzialnych za produkcję substancji naturalnych przede wszystkim wtedy, gdy jednocześnie wykorzystywały enzymy do rozkładu złożonych resz roślinnych. Oba procesy są zatem najwyraźniej bezpośrednio ze sobą powiązane.

W jakich warunkach ulegają aktywacji geny?

„Sama liczba planów budowlanych niewiele mówi o tym, co mikroorganizm faktycznie robi w swoim środowisku. Musimy również zrozumieć, w jakich warunkach uruchamia on te geny” – podkreśla autor korespondencyjny, dr Carl-Eric Wegner z FSU i HHU, który był jednym z kierowników badania. Kierował on podprojektem powiązanym z klastrem doskonałości „Balance of the Microverse”. Klaster z siedzibą w Jenie bada, w jaki sposób społeczności mikroorganizmów oddziałują na siebie, utrzymując w ten sposób równowagę w złożonych ekosystemach. Wegner kontynuował swoje prace nad tym tematem po przeniesieniu się do Düsseldorfu.

„Torfowiska to dynamiczne siedliska charakteryzujące się wyraźnymi gradientami środowiskowymi – na przykład pod względem zawartości tlenu lub dostępnych składników odżywczych. Nasze badanie dobitnie pokazuje, że produkcja substancji naturalnych nie odbywa się w izolacji, lecz jest ściśle powiązana z równowagą fizjologiczną i obiegami substancji w mikroorganizmach” – wyjaśnia prof. dr Kirsten Küsel z FSU, współautorka badania i rzeczniczka klastra doskonałości.

Liczba klastrów genów biosyntezy nie jest jedynym czynnikiem decydującym

Badanie dostarcza ważnych wniosków dla biotechnologii farmaceutycznej w zakresie ukierunkowanego poszukiwania przyszłych substancji leczniczych. Dotychczas badania nad substancjami naturalnymi koncentrowały się przede wszystkim na przesiewaniu genomów znanych grup bakterii, takich jak aktynobakterie czy pseudomonady, które posiadają w swoim genomie dużą liczbę klastrów genów biosyntezy. Dr Zander Human z FSU, pierwszy autor badania: „Okazało się, że nie wystarczy szukać wyłącznie genomów zawierających najwięcej planów budowy. Znacznie ważniejsze jest raczej ustalenie, w jakich warunkach ekologicznych mikroorganizmy otwierają swoją »genetyczną skrzynkę z narzędziami«. W ten sposób dotychczas pomijane grupy, takie jak kwasobakterie, stają się przedmiotem zainteresowania badań nad substancjami naturalnymi”.

Carl-Eric Wegner: „Ci rzekomo utalentowani producenci pozostają jednak zazwyczaj milczący w swoim naturalnym środowisku. W praktyce oznacza to, że aby aktywować te nieaktywne klastry genów w laboratorium, musimy celowo naśladować odpowiednie bodźce ekologiczne występujące w ich naturalnym środowisku – na przykład poprzez dodanie złożonych włókien roślinnych lub określonych bodźców odżywczych. Ponadto dotychczas w większości zaniedbane i trudne w hodowli grupy szczepów, takie jak bakterie kwasowe, mogą otworzyć dostęp do zupełnie nowych klas cząsteczek, które w przyszłości mogą służyć na przykład w walce z opornymi drobnoustrojami lub ciężkimi chorobami zapalnymi.”

Oryginalna publikacja: Zander Rainier Human, Rene Hoover, Clara Chan, Kirsten Küsel i Carl-Eric Wegner. Wysoka różnorodność, ale ograniczona ekspresja klastrów genów biosyntezy w społeczności mikroorganizmów torfowiskowych. Nature Communications 17:10529 (2026)