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.
Próbka z torfowiska Schlöppnerbrunnen w Bawarii. W takich próbkach naukowcy poszukiwali nowych substancji czynnych wytwarzanych przez mikroorganizmy żyjące w torfowisku.
(Zdjęcie: FSU / Kirsten Küsel)
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”.
Stan na dzień: 20.11.2020 r.
Jest dla nas sprawą oczywistą, że w sposób odpowiedzialny obchodzimy się z danymi osobowymi użytkowników. Jeśli gromadzimy dane osobowe, przetwarzamy je zgodnie z obowiązującymi przepisami o ochronie danych. Szczegółowe informacje można znaleźć tutaj: Polityka prywatności.
Zgoda na wykorzystanie danych do celów reklamowych
Wyrażam zgodę na wykorzystywanie przez spółkę Vogel Communications Group GmbH & Co. KG, Max-Planck-Str. 7-9, 97082 Würzburg, Niemcy, oraz przez wszystkie spółki z nią powiązane w rozumieniu §§ 15 i nast. niemieckiej ustawy o spółkach akcyjnych AktG (dalej: Vogel Communications Group) mojego adresu e-mail do przesyłania mi newsletterów redakcyjnych. Lista spółek stowarzyszonych znajduje się tutaj.
Treść newslettera obejmuje produkty i usługi wszystkich wyżej wymienionych spółek, w tym na przykład czasopisma branżowe i książki specjalistyczne, wydarzenia i targi branżowe, a także produkty i usługi związane z wydarzeniami, oferty i usługi mediów drukowanych i wirtualnych, takie jak inne newslettery informacyjne, konkursy, kampanie leadowe, badania rynku online i offline, specjalistyczne portale internetowe i oferty e-learningowe. Jeśli pobrany został również mój osobisty numer telefonu, może być on wykorzystany do składania ofert dotyczących wymienionych wyżej produktów i usług wyżej wymienionych spółek oraz do badań rynkowych.
Moja zgoda obejmuje również przetwarzanie mojego adresu e-mail i numeru telefonu w celu porównania danych w celach marketingowych z wybranymi partnerami reklamowymi, takimi jak np. LinkedIn, Google i Meta. W tym celu Vogel Communications Group może przekazać wskazane dane w postaci zahashowanej partnerom reklamowym, a partnerzy ci mogą następnie wykorzystywać je w celu ustalenia, czy posiadam również konto w odpowiednich serwisach tych partnerów reklamowych. Grupa Vogel Communications wykorzystuje tę funkcję do celów retargetingu (upselling, cross-selling i budowanie lojalności klientów), tworzenia tzw. grup odbiorców podobnych (Lookalike Audiences) w celu pozyskiwania nowych klientów oraz jako podstawę do wykluczania odbiorców z bieżących kampanii reklamowych. Więcej informacji można znaleźć w sekcji „Porównanie danych w celach marketingowych” w polityce prywatności.
Jeśli otworzę na stronach internetowych chronione treści umieszczone na portalach Grupy Vogel Communications, w tym jej spółek stowarzyszonych w rozumieniu §§ 15 i nast. niemieckiej ustawy o spółkach akcyjnych AktG, muszę zarejestrować się, podając dodatkowe dane, aby uzyskać dostęp do tych treści. W zamian za bezpłatny dostęp do treści redakcyjnych, moje dane mogą być wykorzystywane zgodnie z niniejszą zgodą do tutaj określonych celów. Nie dotyczy to porównywania danych w celach marketingowych.
Prawo do wycofania zgody
Jestem świadomy(a), że w przyszłości mogę wycofać zgodę w dowolnym momencie. Wycofanie przeze mnie zgody nie ma wpływu na zgodność z prawem przetwarzania, którego dokonano na podstawie mojej zgody do momentu jej wycofania. Aby wycofać zgodę, mogę skorzystać z formularza kontaktowego dostępnego pod adresem https://contact.vogel.de/pl. Jeśli nie chcę już otrzymywać subskrybowanych przeze mnie newsletterów, mogę zrezygnować z subskrypcji naciskając w link znajdujący się na końcu newslettera. Więcej informacji na temat mojego prawa do wycofania zgody, a także konsekwencji wycofania zgody znajduje się tutaj: Polityka prywatności, sekcja Newslettery redakcyjne.
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.”