Прорывы в реконструкции древнего генома и биотехнологии теперь раскрывают богатые молекулярные секреты палеолитических микроорганизмов.
Междисциплинарная группа исследователей во главе с Институтом исследований натуральных продуктов и биологии инфекций им. Лейбница, Институтом эволюционной антропологии Макса Планка и Гарвардским университетом реконструировала бактериальные геномы ранее неизвестных бактерий, датируемых плейстоценом. Используя свои генетические чертежи, они построили биотехнологическую платформу для возрождения натуральных продуктов древних бактерий.
Микробы — величайшие химики природы, и среди их творений — большое количество антибиотиков и других терапевтических препаратов. Производство этих сложных химических природных продуктов — непростая задача, и для этого бактерии полагаются на особые типы генов, которые кодируют ферментативный механизм, способный производить такие химические вещества.
В настоящее время научные исследования микробных природных продуктов в значительной степени ограничиваются живыми бактериями, но, учитывая, что бактерии населяют Землю более 3 миллиардов лет, существует огромное разнообразие прошлых природных продуктов с терапевтическим потенциалом, которые остаются неизвестными нам — до тех пор, пока сейчас.
«В этом исследовании мы достигли важной вехи в раскрытии огромного генетического и химического разнообразия нашего микробного прошлого», — говорит соавтор Кристина Вариннер, доцент антропологии Гарвардского университета, руководитель группы в Институте эволюционных исследований Макса Планка. Антропология (MPI-EVA) и руководитель партнерской группы в Институте исследований натуральных продуктов и биологии инфекций Лейбница (Leibniz-HKI).
«Наша цель — наметить путь открытия древних природных продуктов и сообщить об их потенциальном применении в будущем», — добавляет соавтор Пьер Сталфорт, профессор биоорганической химии и палеобиотехнологии Йенского университета им. Фридриха Шиллера и заведующий кафедрой палеобиотехнологии. в Лейбниц-ХКИ.
Пазл из миллиарда деталей
Когда организм умирает, его ДНК быстро деградирует и распадается на множество крошечных кусочков. Ученые могут идентифицировать некоторые из этих фрагментов ДНК, сопоставляя их с базами данных, но в течение многих лет микробные археологи боролись с тем фактом, что самая древняя ДНК не может быть сопоставлена ни с чем, известным сегодня.
Эта проблема долгое время беспокоила ученых, но недавние достижения в области вычислительной техники теперь позволяют собирать фрагменты ДНК воедино — как кусочки головоломки — для того, чтобы реконструировать неизвестные гены и геномы. Единственная проблема заключается в том, что он не очень хорошо работает с сильно деградировавшей и чрезвычайно короткой древней ДНК плейстоцена.
«Нам пришлось полностью переосмыслить наш подход», — говорит Александр Хюбнер, научный сотрудник MPI-EVA и соавтор исследования. Хюбнер говорит, что спустя три года тестирования и оптимизации они достигли прорыва, получив участки реконструированной ДНК длиной более 100 000 пар оснований и восстановив широкий спектр древних генов и геномов. «Теперь мы можем начать с миллиардов неизвестных древних фрагментов ДНК и систематически упорядочивать их в давно утерянные бактериальные геномы ледникового периода».
Изучение микробного палеолита
Команда сосредоточилась на реконструкции бактериальных геномов, заключенных в зубном камне, также известном как зубной камень, от 12 неандертальцев, живших примерно 102 000–40 000 лет назад, 34 археологических людей, живших примерно 30 000–150 лет назад, и 18 современных людей. Зубной камень — это единственная часть тела, которая регулярно окаменевает в течение жизни, превращая живой зубной налет в кладбище минерализованных бактерий.
Исследователи реконструировали многочисленные виды бактерий полости рта, а также другие более экзотические виды, геномы которых ранее не были описаны. Среди них был неизвестный представитель Chlorobium, чья сильно поврежденная ДНК показала признаки преклонного возраста и который был обнаружен в зубном камне семи палеолитических людей и неандертальцев. Было обнаружено, что все семь геномов Chlorobium содержат кластер биосинтетических генов с неизвестной функцией.
«Зубной камень 19 000-летней Красной Леди из Эль-Мирона, Испания, выявил особенно хорошо сохранившийся геном Chlorobium», — говорит Анан Ибрагим, научный сотрудник Leibniz-HKI и соавтор исследования. «Обнаружив эти загадочные древние гены, мы хотели взять их в лабораторию, чтобы выяснить, что они производят».
Химия ледникового периода
Команда использовала инструменты синтетической молекулярной биотехнологии, чтобы позволить живым бактериям производить химические вещества, закодированные древними генами. Это был первый раз, когда этот подход был успешно применен к древним бактериям, и это привело к открытию нового семейства микробных природных продуктов, которые исследователи назвали «палеофуранами».
«Это первый шаг к получению доступа к скрытому химическому разнообразию микробов прошлого Земли, и он добавляет захватывающее новое временное измерение к открытию природных продуктов», — говорит Мартин Клэппер, научный сотрудник Leibniz-HKI и соавтор исследования. .
Новое сотрудничество, чтобы основать новую область
Успех исследования является прямым результатом амбициозного сотрудничества между археологами, биоинформатиками, молекулярными биологами и химиками с целью преодоления технологических и дисциплинарных барьеров и открытия новых научных горизонтов.
«[Мы] намеревались навести мосты между гуманитарными и естественными науками», — говорит Пьер Столфорт. «Работая вместе, мы смогли разработать технологии, необходимые для воссоздания молекул, произведенных сто тысяч лет назад», — говорит Кристина Уориннер. Глядя в будущее, команда надеется использовать эту технику для поиска новых антибиотиков.
No comments:
Post a Comment