Вторичные метаболиты - соединения, вырабатываемые микробами для передачи внутренних и внешних сообщений, самообороны и ведения химической войны, - являются основой для сотен бесценных сельскохозяйственных, промышленных и медицинских продуктов. А учитывая возрастающие темпы открытия новых, потенциально ценных вторичных метаболитов, становится ясно, что микробы могут предложить гораздо больше.
Теперь группа микробиологов и геномистов во главе с Объединенным институтом генома Министерства энергетики (JGI) изобрела инструмент генной инженерии под названием CRAGE, который может не только значительно облегчить изучение этих соединений, но и заполнить значительные пробелы в нашем понимании того, как микробы взаимодействуют с окружающей средой и эволюционируют. Их работа, созданная в сотрудничестве с Франкфуртским университетом Гёте и Лабораторией молекулярных наук об окружающей среде Министерства энергетики США (EMSL), опубликована в журнале Nature Microbiology.
Погружение в микробиомы
Вторичные метаболиты названы так потому, что их активность и функции не являются существенными для выживания микроба, но они могут дать организму преимущество перед лицом давления окружающей среды. Способность производить эти метаболиты, кодируемые группами генов, называемыми кластерами биосинтетических генов (BGC), легко передается как между близкородственными, так и между отдаленно родственными микробами посредством горизонтального переноса генов. Этот быстрый и широко распространенный обмен позволяет микробам адаптироваться к меняющимся условиям, быстро приобретая или теряя признаки, а поскольку частый обмен приводит к мутациям, горизонтальный перенос генов BGC стимулирует развитие разнообразных соединений.
К сожалению, увлекательный мир вторичного метаболизма традиционно было очень трудно изучать, потому что, когда микробы попадают в лабораторию, искусственную среду, которая не представляет особых трудностей или конкуренции, они обычно не утруждают себя созданием этих соединений. CRAGE - сокращение от «независимая от шасси инженерия генома с помощью рекомбиназы» - помогает ученым обойти это препятствие.
«Эти метаболиты подобны языку, который микробы используют для взаимодействия со своими биомами, и когда они изолированы, они замолкают», - сказал соавтор Ясуо Йошикуни, ученый из JGI. «В настоящее время у нас нет технологии, позволяющей стимулировать микробы к активации их BGC и синтезу полного продукта - клеточному процессу, который включает много этапов."
CRAGE - это высокоэффективный способ трансплантации BGC, происходящих из одного организма, во множество различных потенциальных хозяев-производителей одновременно, чтобы идентифицировать микробные штаммы, которые естественным образом способны продуцировать вторичный метаболит в лабораторных условиях.
«Следовательно, CRAGE позволяет нам получить доступ к этим соединениям гораздо легче, чем раньше», - сказал Хельге Боде, соавтор из Университета Гёте во Франкфурте, Германия. «В некоторых случаях это уже позволило нам получить и впервые охарактеризовать интересующее соединение».
В более широком смысле, предоставляя метод переноса микробного механизма от одного вида к другому, CRAGE позволит ученым выйти за рамки теорий и предсказаний и, наконец, наблюдать, как на самом деле работают соединения, отнесенные к категории «биологической темной материи».
Это знаковое событие, потому что с помощью CRAGE мы можем изучить, как разные организмы могут по-разному экспрессировать одну генную сеть, и, таким образом, как могут развиваться горизонтально передаваемые способности. Предыдущие инструменты для этого гораздо более ограничены», - сказал соавтор Дэвид Хойт, химик из EMSL, расположенной в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. Хойт и его коллеги Керем Бингол и Нэнси Уоштон помогли охарактеризовать одну из ранее неизвестных вторичных метаболиты, полученные, когда группа Йошикуни тестировала CRAGE.
Соавтор Цзин Ке, научный сотрудник JGI, добавил: «Помимо вторичных метаболитов, CRAGE можно использовать для создания микробов для производства белков, РНК и других молекул с огромным диапазоном свойств. приложения."
Следующие шаги
На данный момент команда успешно перенесла BGC в 30 различных бактериальных штаммов и ожидает, что это должно работать и во многих других, хотя метод, вероятно, потребуется адаптировать для некоторых видов. В настоящее время ведутся дальнейшие исследования и разработка продукта, но теперь этот метод доступен исследовательским группам, которые используют JGI (Управление науки Министерства энергетики США) в рамках пилотных программ.
Тем временем Йошикуни, который в 2013 году разработал инструмент для рекомбинации генов-предшественников, RAGE, и его коллеги из JGI начали применять CRAGE в своих собственных проектах, таких как изучение нетрадиционных бактериальных хозяев для биопроизводства.
«Помимо нескольких очень хорошо изученных микробов, так называемых модельных организмов, таких как E. coli, мы не знаем, будут ли штаммы обладать навыками, необходимыми для выполнения всех шагов активации BGC», - сказал Йошикуни. «Надеюсь, с CRAGE мы сможем начать менять эту парадигму - мы сможем изучить больше диких видов и найти их свойства, которые больше подходят для производства продуктов и лекарств».