Поиск новых антибиотиков
Проект посвящен поиску бактерий, производящих новые антибиотики.
В последнее время появляется большое количество патогенных бактерий, устойчивых ко многим использующимся антибиотикам. В связи с этим очень актуален поиск новых антибактериальных соединений. Большинство используемых в медицине антибиотиков представляют собой природные соединения (либо производные этих соединений), выделенные из бактерий или грибов. Однако на текущий момент поиск антибиотиков среди доступных организмов, легко поддающихся культивации, приводит лишь к обнаружению уже известных веществ. По большому счету, все антибиотики, которые можно было легко найти классическими методами скрининга, были открыты несколько десятков лет назад.
По этой причине большой интерес представляет поиск новых антибиотиков среди некультивируемых микроорганизмов и среди организмов, обитающих в труднодоступных местах (таких, как дно моря). Изучать такие организмы методами классической микробиологии очень тяжело или даже вовсе невозможно, поэтому мы в нашей лаборатории используем метагеномные подходы.
Мы выделяем ДНК из морских образцов, определяем последовательности ДНК при помощи технологий высокопроизводительного секвенирования и собираем из полученных данных фрагменты геномов организмов, которые содержались в образцах. Затем при помощи специальных биоинформатических алгоритмов мы предсказываем участки бактериальных геномов, кодирующие гены биосинтеза новых антибиотиков, переносим эти участки в клетки модельных бактерий и пытаемся выделить и охарактеризовать новые природные соединения, синтез которых обусловлен обнаруженными генами.
Подробнее о технологиях секвенирования и сборки последовательностей, а также о предсказании биосинтетических кластеров вы можете узнать из лекций
“Геномные технологии в исследовании микробиомов”
“Функциональная аннотация прокариотических метагеномов”
Все лекции доступны в разделе “Личный кабинет” после регистрации на портале.
В последнее время появляется большое количество патогенных бактерий, устойчивых ко многим использующимся антибиотикам. В связи с этим очень актуален поиск новых антибактериальных соединений. Большинство используемых в медицине антибиотиков представляют собой природные соединения (либо производные этих соединений), выделенные из бактерий или грибов. Однако на текущий момент поиск антибиотиков среди доступных организмов, легко поддающихся культивации, приводит лишь к обнаружению уже известных веществ. По большому счету, все антибиотики, которые можно было легко найти классическими методами скрининга, были открыты несколько десятков лет назад.
По этой причине большой интерес представляет поиск новых антибиотиков среди некультивируемых микроорганизмов и среди организмов, обитающих в труднодоступных местах (таких, как дно моря). Изучать такие организмы методами классической микробиологии очень тяжело или даже вовсе невозможно, поэтому мы в нашей лаборатории используем метагеномные подходы.
Мы выделяем ДНК из морских образцов, определяем последовательности ДНК при помощи технологий высокопроизводительного секвенирования и собираем из полученных данных фрагменты геномов организмов, которые содержались в образцах. Затем при помощи специальных биоинформатических алгоритмов мы предсказываем участки бактериальных геномов, кодирующие гены биосинтеза новых антибиотиков, переносим эти участки в клетки модельных бактерий и пытаемся выделить и охарактеризовать новые природные соединения, синтез которых обусловлен обнаруженными генами.
Подробнее о технологиях секвенирования и сборки последовательностей, а также о предсказании биосинтетических кластеров вы можете узнать из лекций
“Геномные технологии в исследовании микробиомов”
“Функциональная аннотация прокариотических метагеномов”
Все лекции доступны в разделе “Личный кабинет” после регистрации на портале.
Исследования метавиромов
Вирусы паразитируют практически на всех клеточных организмах, в том числе и прокариотах. Вирусы бактерий традиционно называют бактериофагами или фагами. В ходе инфекции бактериофаги прикрепляются к поверхности бактерии и переносят внутрь бактериальной клетки молекулы своей нуклеиновой кислоты.
После проникновения в клетку вирусной нуклеиновой кислоты происходит экспрессия вирусных генов. При этом в клетке синтезируются вирусные белки, выполняющие разнообразные функции: “взлом” регуляторных путей клетки для перенаправления ресурсов на производство вирусных компонентов, репликация вирусного генома, сборка вирусных частиц. Цикл инфекции, как правило, завершается лизисом (разрушением) клетки и выходом наружу фаговых частиц - в конце инфекции из зараженной бактерии может выйти от нескольких десятков до нескольких сотен вирионов, готовых заражать новые клетки.
Бактериофаги способны за короткое время уничтожать огромные популяции бактерий, при этом при лизисе клеток во внешнюю среду попадают питательные вещества, способные обеспечить рост других организмов. По этой причине бактериофаги представляют собой один из важнейших факторов в популяционной динамике бактерий.
Некоторые бактериофаги при инфекции способны встраивать свою геномную ДНК в геном клетки и передаваться в таком виде потомкам зараженной клетки; такие интегрированные в бактериальный геном вирусы называют профагами. Нередко профаги кодируют компоненты, дающие зараженным клеткам адаптивное преимущество.
На текущий момент большинство исследований бактериофагов сосредоточено на тех фагах, хозяйские штаммы которых относительно легко культивировать в лабораторных условиях. Однако у такого подхода есть существенное ограничение: если бактерия не поддается культивации в лаборатории, то классическими микробиологическими методами ее вирусы выделить невозможно. Метагеномное секвенирование вирусных нуклеиновых кислот (т. н. метавиромное секвенирование) позволяет обнаруживать и характеризовать вирусы, заражающие некультивируемые или неизвестные организмы. Поиск новых вирусов с использованием метавиромного анализа оказался необычайно продуктивен: в ходе таких исследований удалось обнаружить и охарактеризовать геномы тысяч прежде неизвестных вирусов.
Отдельно стоит упомянуть о вирусах, заражающих клетки архей. Большинство из них очень сильно отличаются от всех известных вирусов, а еще у некоторые из них обладают удивительными особенностями: например, вирионы вируса SIRV2, заражающего клетки гипертермофильной археи Sulfolobus islandicus, содержат ДНК в A-форме, которая крайне редко встречается в живой природе.
После проникновения в клетку вирусной нуклеиновой кислоты происходит экспрессия вирусных генов. При этом в клетке синтезируются вирусные белки, выполняющие разнообразные функции: “взлом” регуляторных путей клетки для перенаправления ресурсов на производство вирусных компонентов, репликация вирусного генома, сборка вирусных частиц. Цикл инфекции, как правило, завершается лизисом (разрушением) клетки и выходом наружу фаговых частиц - в конце инфекции из зараженной бактерии может выйти от нескольких десятков до нескольких сотен вирионов, готовых заражать новые клетки.
Бактериофаги способны за короткое время уничтожать огромные популяции бактерий, при этом при лизисе клеток во внешнюю среду попадают питательные вещества, способные обеспечить рост других организмов. По этой причине бактериофаги представляют собой один из важнейших факторов в популяционной динамике бактерий.
Некоторые бактериофаги при инфекции способны встраивать свою геномную ДНК в геном клетки и передаваться в таком виде потомкам зараженной клетки; такие интегрированные в бактериальный геном вирусы называют профагами. Нередко профаги кодируют компоненты, дающие зараженным клеткам адаптивное преимущество.
На текущий момент большинство исследований бактериофагов сосредоточено на тех фагах, хозяйские штаммы которых относительно легко культивировать в лабораторных условиях. Однако у такого подхода есть существенное ограничение: если бактерия не поддается культивации в лаборатории, то классическими микробиологическими методами ее вирусы выделить невозможно. Метагеномное секвенирование вирусных нуклеиновых кислот (т. н. метавиромное секвенирование) позволяет обнаруживать и характеризовать вирусы, заражающие некультивируемые или неизвестные организмы. Поиск новых вирусов с использованием метавиромного анализа оказался необычайно продуктивен: в ходе таких исследований удалось обнаружить и охарактеризовать геномы тысяч прежде неизвестных вирусов.
Отдельно стоит упомянуть о вирусах, заражающих клетки архей. Большинство из них очень сильно отличаются от всех известных вирусов, а еще у некоторые из них обладают удивительными особенностями: например, вирионы вируса SIRV2, заражающего клетки гипертермофильной археи Sulfolobus islandicus, содержат ДНК в A-форме, которая крайне редко встречается в живой природе.
Электронные микрофотографии вирусных частиц, обнаруженных в пробах из горячих источников. Предоставлены Мартом Круповичем из Института Пастера
В нашей лаборатории мы исследуем морские метавиромы, а также метавиромы из горячих кислых вулканических источников. В пробах из вулканических источников, собранных на о. Итуруп, мы обнаружили несколько вирусов, заражающих гипертермофильных архей. Выделить эти вирусы в лаборатории не удалось, и поэтому мы отсеквенировали ДНК, выделенную из вирусных частиц. В полученных последовательностях обнаружились геномы нескольких ранее не охарактеризованных вирусов, над анализом которых мы сейчас работаем.