Новый компьютерный инструмент помог обнаружить «молчащий» участок бактериального генома, который кодирует ранее неизвестное антибактериальное соединение — дискомицин A. В лабораторных опытах вещество подавляло рост нескольких грамположительных бактерий, включая устойчивый к метициллину золотистый стафилококк. Однако препарат пока не испытывали на животных или людях.
Инструмент получил название «Поиск эволюционно родственных природных соединений» (Discoverer of Evolutionarily Related Natural Products, DiscERN). Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Авторами работы стали Джереми Дж. Оуэн (Jeremy G. Owen), Итан Ф. Вулли (Ethan F. Woolly), Хун-Эн Лай (Hung-En Lai), Виктория Х. Вулнер (Victoria H. Woolner) и Рори Ф. Литтл (Rory F. Little).
Зачем искать антибиотики в геномах бактерий
Устойчивость к противомикробным препаратам возникает, когда бактерии перестают реагировать на лекарства, которые раньше могли их уничтожать. Распространение таких микроорганизмов осложняет лечение пневмонии, инфекций крови, послеоперационных осложнений и многих других заболеваний.
Одним из главных источников антибиотиков исторически были природные вещества, которые вырабатывают микроорганизмы. Чтобы синтезировать такое соединение, бактерия использует не один ген, а целую группу расположенных рядом генов. Их называют биосинтетическим генным кластером.
Такой кластер можно представить как записанную в дезоксирибонуклеиновой кислоте инструкцию для молекулярной сборочной линии. Одни гены кодируют ферменты, создающие основу вещества, другие добавляют к ней химические группы, а третьи регулируют весь процесс.
Проблема в том, что при обычном лабораторном выращивании многие кластеры остаются неактивными. Бактерия имеет генетическую возможность производить соединение, но не делает этого в доступных исследователю условиях. Поэтому такие участки генома называют скрытыми или «молчащими».
Как работает DiscERN
Существующие программы умеют находить биосинтетические кластеры с нуля или группировать большое количество последовательностей по сходству. DiscERN предназначен для более направленного поиска.
Исследователь сначала указывает несколько кластеров, связанных с уже известным семейством природных соединений. Затем программа ищет в других геномах их эволюционных родственников — достаточно похожих, чтобы предположить общее происхождение, но достаточно отличающихся, чтобы они могли кодировать новые молекулы.
DiscERN объединяет результаты четырёх алгоритмов. Они сравнивают наборы белковых участков, сходство аминокислотных последовательностей и предполагаемое строение будущего вещества. Использование нескольких подходов должно уменьшать вероятность того, что перспективный кластер будет пропущен или ошибочно принят за представителя нужного семейства.
Программу проверили на тысячах бактериальных геномов
Авторы проанализировали 3561 геном актиномицетов — группы бактерий, многие представители которой способны производить антибиотики.
Сначала геномы обработали с помощью программы для анализа антибиотиков и вторичных метаболитов antiSMASH. Вторичными метаболитами называют вещества, которые не нужны клетке для непосредственного роста, но могут помогать ей конкурировать с другими микроорганизмами или защищаться от них.
В общей сложности программа обнаружила 59 236 биосинтетических генных кластеров. Затем DiscERN искал среди них родственников четырёх известных групп антибиотиков:
- 16-членных макролидов;
- рифамициноподобных поликетидов;
- кальцийзависимых липопептидов;
- гликопептидов.
Система выделила 688 потенциально подходящих кластеров. Часть результатов исследователи проверили вручную.
Чтобы оценить полноту поиска, учёные поочерёдно исключали из эталонного набора один известный кластер и проверяли, сможет ли DiscERN снова его обнаружить.
Когда находку поддерживали не менее двух из четырёх алгоритмов, расчётная полнота поиска составляла 95%, а точность — 84%. Сводный показатель, учитывающий оба параметра, достигал 0,89. При совпадении результатов как минимум трёх алгоритмов точность повышалась до 98%, хотя при более строгом отборе возрастал риск пропустить некоторые подходящие кластеры.
Как нашли «молчащий» кластер дискомицина
Среди кандидатов исследователи выбрали кластер из бактерии Streptomyces kanamyceticus. По расчётам, он должен был кодировать кальцийзависимый антибиотик, однако способность этого штамма производить такое вещество ранее не была описана.
Кластер назвали dsc — по предполагаемому продукту, дискомицину. В нём находился ген регуляторного белка, способного включать производство антибиотика.
Исследователи встроили в бактериальную хромосому дополнительную копию этого гена и поместили её под контроль постоянно активного участка дезоксирибонуклеиновой кислоты. Такой участок работает как переключатель, который удерживает ген во включённом состоянии.
После активации ранее «молчащий» кластер начал работать. Чтобы подтвердить происхождение вещества, учёные также перенесли полный кластер в лабораторный штамм Streptomyces albus Del14 с упрощённым геномом. Этот микроорганизм тоже произвёл дискомицин A, что позволило напрямую связать новое соединение с найденной группой генов.
Соединение подавляло рост грамположительных бактерий
Очищенный дискомицин A проверили на нескольких видах бактерий. Он не действовал на исследованные грамотрицательные микроорганизмы, которые имеют дополнительную внешнюю оболочку, способную затруднять проникновение многих антибиотиков.
При наличии кальция соединение подавляло рост нескольких грамположительных бактерий, в том числе:
- золотистого стафилококка;
- метициллин-устойчивого штамма золотистого стафилококка USA300;
- сенной палочки.
Кальцийзависимость означает, что антибактериальное действие проявлялось только при достаточном присутствии ионов кальция. Подобный механизм характерен для некоторых липопептидных антибиотиков.
После обработки золотистого стафилококка в бактериальных клетках накапливался промежуточный компонент клеточной стенки — пентапептид N-ацетилмурамовой кислоты. По мнению авторов, это указывает на нарушение построения клеточной стенки, без которой бактерия не может нормально расти и делиться.
Отсутствие токсичности в клетках ещё не доказывает безопасность
Дискомицин A также проверили на лабораторной линии человеческих клеток рака толстой кишки HCT-116. В использованных условиях заметного токсического действия исследователи не обнаружили.
Однако один опыт на клеточной культуре не позволяет судить о безопасности будущего препарата. Неизвестно, как вещество распределяется в организме, насколько быстро разрушается и выводится, может ли повреждать печень, почки или нервную систему и какая доза будет переносимой.
Следующими этапами должны стать исследования на животных, оценка фармакокинетики — движения вещества по организму — и более широкие испытания на клетках млекопитающих.
DiscERN сравнили с другими программами
В отдельном испытании DiscERN применили для поиска родственных кальцийзависимым антибиотикам кластеров в 573 геномах бактерий рода Streptomyces.
В рамках этой конкретной задачи программа обнаружила больше подтверждённых кандидатов и больше потенциально новых вариантов пептидной основы, чем две другие платформы. Одна из сравниваемых систем не нашла кластер дискомицина, тогда как другая его обнаружила.
Авторы подчёркивают, что результаты не делают DiscERN универсально лучшим инструментом для любого анализа. Программа предназначена прежде всего для направленного расширения уже определённого семейства биосинтетических кластеров, тогда как другие системы могут быть удобнее для первоначального поиска или группировки больших массивов данных.
Что открытие означает для медицины
Главный результат исследования — не только обнаружение дискомицина A, но и демонстрация более короткого пути от геномных данных к веществу, которое можно проверить в лаборатории.
Вместо случайного выращивания тысяч микроорганизмов учёные могут сначала найти генетически перспективные штаммы, определить наиболее интересные «молчащие» кластеры и целенаправленно активировать их.
Тем не менее дискомицин A пока следует считать ранним кандидатом, а не готовым лекарственным средством. Его активность продемонстрирована только в лабораторных условиях, а спектр чувствительных бактерий оказался ограниченным.
Потребность в новых подходах особенно велика из-за распространения лекарственно-устойчивых микроорганизмов. О том, как даже некоторые препараты, не относящиеся к антибиотикам, могут влиять на этот процесс, рассказывает материал об усилении устойчивости бактерий при воздействии ибупрофена и парацетамола.
Литература
Owen J. G., Woolly E. F., Lai H. E., Woolner V. H., Little R. F. DiscERN: an automated genome mining tool for the discovery of evolutionarily related natural products // Nature Communications. — 2026. — DOI: 10.1038/s41467-026-75491-x.