Ученые очистили и определили структуру одной из идентифицированных молекул, антибиотика, который они назвали лактоциллин, который производится обычным бактериальным видом Lactobacillus gasseri, обнаруженным в микробном сообществе во влагалище. Этот антибиотик тесно связан с другими антибиотиками, которые уже проходят клинические испытания фармацевтическими компаниями.
Лактоциллин убивает несколько вагинальных бактериальных патогенов, но избавляет от видов, которые, как известно, безвредно обитают во влагалище.
Этот пример предполагает, что многие природные лекарства, созданные нашими собственными микробами, могут играть важную роль в поддержании здоровья человека, – сказал старший автор исследования Майкл Фишбах, доктор философии, доцент кафедры биоинженерии UCSF. Фармацевтическая школа, которая сделала карьеру в области открытия интересных молекул, созданных микробами.
«Раньше мы думали, что лекарства были разработаны фармацевтическими компаниями, одобрены FDA и прописаны врачами, но теперь мы думаем, что человеческая микробиота производит множество лекарств с одинаковой эффективностью и специфичностью», – сказал Фишбах.
По словам Фишбаха, около трети всех лекарств, используемых в клинике, получают из микробов и растений. К ним относятся антибиотики, такие как пенициллин, многочисленные препараты, используемые при химиотерапии рака, и препараты, снижающие уровень холестерина. Хотя те, кто ищет лекарства от микробов, прочесывают глубины океанов и исследуют экзотические почвы по всему миру, только теперь ученые начали заглядывать в наши собственные тела.
С каждым из нас связаны сотни видов бактерий, и среди них тысячи различных штаммов.
Не все мы являемся обитателями одного и того же вида, и разные виды обитают на разных участках тела.
Благодаря исследованиям, финансируемым Проектом микробиома человека Национального института здравоохранения, и другим исследованиям, ученые в последние годы начали описывать микробиомы – экосистемы, состоящие из многих видов микробов, – обнаруженные в кишечнике, коже, носовых проходах, рту и влагалище.
Они начали выявлять микробиомы, в которых видовое разнообразие и численность отличаются от нормального диапазона способами, которые связаны с рисками заболеваний. Однако идентификация молекул, которые управляют взаимодействиями между микробами и их человеческими хозяевами, задерживается; По словам Фишбаха, идентифицированы лишь немногие.
Разрабатывая новое программное обеспечение для анализа данных и применяя его для работы с обширной генетической базой данных, разработанной на основе образцов связанных с человеком бактерий, собранных в рамках текущего Проекта микробиома человека, лабораторная группа Фишбаха определила кластеры бактериальных генов, которые включаются в скоординированном порядке. способ направлять производство молекул, которые являются биологически активными в организме человека.
Подобно программам языкового перевода, математический алгоритм, разработанный командой Фишбаха под названием ClusterFinder, использует принципы машинного обучения, чтобы делать выводы из новых данных на основе того, что уже известно – в данном случае ранее выявленные взаимосвязи между кластерами генов в почве и морскими бактериями. виды и молекулы, которые они производят.
Используя ClusterFinder, команда Фишбаха впервые систематически проанализировала геномы различных видов микробиома и данные об активности генов из образцов человека, чтобы идентифицировать 3118 различных кластеров бактериальных генов, которые обнаруживаются в различных участках человеческого тела.
Кластеры генов, которые его команда определила, кодируют ферменты, которые служат молекулярными фабриками для производства определенных лекарств, подобных молекулам, которые подходят для известных классов фармацевтических препаратов.
Новое исследование показывает, что анализ на уровне рода, обычно используемый для идентификации бактерий в микробиомах человека, недостаточно подробен, чтобы предсказать, какие лекарственные молекулы производят бактерии, сказал Фишбах. Отдельные виды и разные штаммы внутри каждого вида различаются производимыми молекулами.
«Нам нужно узнать, что это за молекулы и что они делают», – сказал Фишбах. "Это может представлять собой пул молекул со многими дразнящими кандидатами на лекарственную терапию.
«В течение нескольких лет было ясно, что вариации и изменения в микробиоме человека оказывают интересное влияние на человека-хозяина, и теперь мы можем начать определять, почему это верно на молекулярном уровне."
Докторант UCSF Мохамед С. Дония, доктор философии, разработала и провела ключевые эксперименты и возглавила составление недавно опубликованного исследования.
Среди других соавторов – научный сотрудник UCSF Питер Цимерманчич, доктор философии; постдокторант Кристофер Дж. Шульце, доктор философии, Стэнфордский университет; доцент Роджер Дж.
Линингтон, доктор философии, Калифорнийский университет в Санта-Круз; преподаватель химии Лаура С. Виланд Браун, доктор философии, из Университета Индианы; Джон Мартин и Македонка Митрева, доктор философии, доцент Вашингтонского университета, Санкт-Петербург. Луи; и Джон Кларди, доктор философии, профессор Гарвардской медицинской школы.
Исследование финансировалось Национальными институтами здравоохранения, Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США, США.M.
Фонд Кека, Фонд Дэвида и Люсиль Паккард и Программа передовых биомедицинских исследований UCSF. Фишбах входит в состав научных консультативных советов компаний NGM Biopharmaceuticals и Warp Drive Bio.