Хотя в чайной ложке почвы больше микробов, чем людей на Земле, культивирована лишь малая их часть. Из них изучено лишь небольшое количество потенциально клинически полезных химических веществ, продуцируемых бактериями.
Для этого исследования было взято сто восемьдесят пять образцов из тропических лесов, лесов с умеренным климатом, пустынь и пляжей на пяти континентах (Северная Америка, Южная Америка, Африка, Азия и Австралия) и с океанических островов Гавайи и Доминиканской Республики. Изучение «биосинтетического» состава этих почв показывает их потенциал для открытия новых лекарств.
«Не культивируемые бактерии из окружающей среды могут дать огромное количество новых молекул, многие из которых могут стать новыми лекарствами», – говорит ведущий автор и научный сотрудник Захари Чарлоп-Пауэрс из Университета Рокфеллера в Нью-Йорке.
«Невероятное разнообразие, которое мы обнаружили, – это первый шаг к нашей мечте о создании карты мира, содержащей химические вещества, производимые микробами, аналогичную картам географии мира в Google Планета Земля и других», – говорит д-р Шон Брэди, глава Лаборатории генетических исследований. Закодированные малые молекулы также в Университете Рокфеллера в Нью-Йорке.
Подавляющее большинство антибиотиков, используемых сегодня в клинической практике, получают из почвенных бактерий, но выход новых лекарств невелик, поскольку те же культивируемые бактерии и набор молекул, которые они синтезируют, повторно открываются повторно. Однако на каждый культивируемый вид бактерий в окружающей среде приходится 100 некультивируемых видов.
Ученые ранее определили кластеры бактериальных генов, которые особенно хороши для создания терапевтических препаратов. Эти знания означали, что ученые могли сосредоточиться на поиске определенных типов кластеров генов в образцах, а не на секвенировании и анализе целых геномов бактерий.
Команда сравнила ДНК, полученную из окружающей среды, с ДНК выращенных в лаборатории бактерий, выбранных из-за их способности производить более 400 соединений из натуральных продуктов.
Анализ показал, что почвы особенно богаты важными кластерами генов.
Например, в образце горячих источников из Нью-Мексико они обнаружили кластеры, похожие на те, которые производят эпоксамицин.
Эпоксамицин – это природная молекула, используемая в качестве отправной точки для ряда недавно одобренных противоопухолевых средств. В образцах из Бразилии они обнаружили гены, которые могут создавать новые версии блеомицина, противоракового агента, включенного в список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения.
По всему юго-западу Америки они обнаружили образцы почвы, которые, как предполагается, содержат бактерии, производящие антибиотики, подобные рифамицину.
Рифамицин – ключевой антибиотик, используемый при лечении туберкулеза, хотя устойчивость к нему снижает его полезность.
«Мы прогнозируем, что почвы на юго-западе Америки должны быть полезны для выявления новых производных рифамицина, которые могут стать природным решением для борьбы с устойчивым туберкулезом», – говорит д-р Брэди.
Ученые также смогли определить горячие точки для «биосинтетической темной материи» – новых для науки кластеров генов.
Эти кластеры могут производить молекулы с новой структурой и, следовательно, с неизученными функциями.
«Основываясь на историческом успехе натуральных продуктов в качестве терапевтических средств, биосинтетическая темная материя, вероятно, обладает огромным потенциалом для биомедицины», – говорит д-р Брэди.
«Мы надеемся, что усилия по составлению карты микробного и химического разнообразия природы приведут к открытию как совершенно новых лекарств, так и улучшенных версий существующих лекарств», – говорит он.