Për të gjetur molekula bioaktive me potencialin për t’u shndërruar në barna të reja, më pak të prirura ndaj rezistencës ndaj antibiotikëve, studiuesit sekuencuan ADN-në bakteriale të nxjerrë nga tokat në qendrën fushore të Rockefeller në veri të Nju Jorkut.
Kredi: Laboratori i Molekulave të Vogla të Kodifikuara Gjenetikisht në Universitetin Rockefeller
Shumica e baktereve nuk mund të kultivohen në laborator — dhe kjo ka qenë një lajm i keq për mjekësinë. Shumë nga antibiotikët tanë kryesorë kanë origjinë nga mikrobet, por ndërsa rezistenca ndaj antibiotikëve përhapet dhe kanalet e zhvillimit të barnave shterojnë, toka nën këmbët tona ka një rezervuar të madh të fshehur përbërësish të pashfrytëzuar shpëtimtarë.
Tani, studiuesit kanë zhvilluar një mënyrë për të hyrë në këtë “minierë ari” mikrobiale. Qasja e tyre, e botuar në Nature Biotechnology, shmang nevojën për të rritur bakteret në laborator duke nxjerrë fragmente shumë të mëdha të ADN-së drejtpërdrejt nga toka për të rindërtuar gjenomet e mikrobeve të panjohura më parë dhe më pas duke i shfrytëzuar ato për molekula bioaktive.
Nga një mostër e vetme pylli, ekipi gjeneroi qindra gjenome bakteriale të plota të padukura ndonjëherë më parë, si dhe dy kandidatë të rinj antibiotikësh. Zbulimet ofrojnë një mënyrë të shkallëzueshme për të kërkuar nëpër bakteret e pakultivueshme për barna të reja dhe zbulojnë një kufi të paeksploruar mikrobial që formëson mjedisin tonë.
“Ne më në fund kemi teknologjinë për të parë botën mikrobiale që ka qenë e paarritshme për njerëzit,” thotë Sean F. Brady, drejtues i Laboratorit të Molekulave të Vogla të Kodifikuara Gjenetikisht në Rockefeller. “Dhe nuk po e shohim thjesht këtë informacion; tashmë po e kthejmë në antibiotikë potencialisht të dobishëm. Ky është vetëm fillimi.”
Materia e errët mikrobiale
Kur kërkohet për baktere, toka është zgjedhja e dukshme. Është rezervuari më i madh dhe më i larmishëm i baktereve në planet — një lugë çaji prej saj mund të përmbajë mijëra specie të ndryshme. Shumë terapi të rëndësishme, përfshirë pjesën më të madhe të arsenalit tonë të antibiotikëve, janë zbuluar në atë fraksion të vogël të baktereve të tokës që mund të rriten në laborator. Dhe toka është jashtëzakonisht e lirë.
Megjithatë, dimë shumë pak për miliona mikrobet e fshehura në tokë. Shkencëtarët dyshojnë se këto baktere të padukshme mbajnë jo vetëm një rezervuar të pashfrytëzuar terapeutikësh të rinj, por edhe të dhëna mbi mënyrën se si mikrobet formësojnë klimën, bujqësinë dhe mjedisin më të gjerë ku jetojmë. “Në të gjithë botën ekziston një ekosistem i fshehur mikrobesh që mund të ketë pasoja dramatike për jetët tona,” shton Brady. “Ne donim t’i shihnim më në fund.”
Për të marrë atë pamje, ekipi përdori disa qasje të ndërthurura. Së pari, ata optimizuan një metodë për izolimin e fragmenteve të mëdha, me cilësi të lartë, të ADN-së drejtpërdrejt nga toka. Duke e kombinuar këtë përparim me sekuencimin e ri “long-read nanopore”, Jan Burian, një bashkëpunëtor postdoktoral në laboratorin e Brady-t, arriti të prodhojë segmente të vazhdueshme ADN-je me dhjetëra mijëra çifte bazash — 200 herë më të gjata se ç’mund të menaxhonte teknologjia e mëparshme.
ADN-ja e tokës përmban një numër shumë të madh bakteresh të ndryshme; pa këto sekuenca të gjata, ishte jashtëzakonisht e vështirë të rindërtohej pazëlli gjenetik kompleks në gjenome të plota dhe të lidhura për baktere të ndryshme.
“Është më e lehtë të mbledhësh një gjenom të plotë nga copa më të mëdha të ADN-së, sesa nga miliona fragmente të vogla që ishin në dispozicion më parë,” thotë Brady. “Dhe kjo bën një ndryshim dramatik në besueshmërinë e rezultateve.”
Molekulat e vogla unike, si antibiotikët, që prodhojnë bakteret quhen “produkte natyrore”. Për t’i kthyer sekuencat e sapo zbuluara në molekula bioaktive, ekipi aplikoi një qasje bioinformatike sintetike të produkteve natyrore (synBNP). Ata parashikuan në mënyrë bioinformatike strukturat kimike të produkteve natyrore drejtpërdrejt nga të dhënat gjenomike dhe më pas i sintetizuan kimikisht në laborator. Me këtë metodë, ata arritën të kthenin planet gjenetike nga bakteret e pakultivueshme në molekula reale — përfshirë dy antibiotikë të fuqishëm.
Brady e përshkruan metodën, e cila është e shkallëzueshme dhe mund të përshtatet për çdo hapësirë metagjenomike përtej tokës, si një strategji me tre hapa që mund të hapë një epokë të re të mikrobiologjisë: “Izolo ADN të madhe, sekuencoje, dhe ktheje në diçka të dobishme.”
Dy kandidatë të rinj barnash, dhe duke vazhduar
Aplikuar në mostrën e vetme të tokës së pyllit, qasja e ekipit prodhoi 2.5 terabazë të dhënash sekuence — eksplorimi më i thellë me lexime të gjata i një mostre të vetme toke deri më sot. Analiza e tyre zbuloi qindra gjenome bakteriale të plota e të pandërprera, mbi 99% e të cilave ishin krejtësisht të reja për shkencën, duke përfaqësuar anëtarë nga 16 degë kryesore të pemës familjare bakteriale.
Dy përbërësit kryesorë të zbuluar mund të përkthehen në antibiotikë të fuqishëm. Njëri, i quajtur erutacidin, shkatërron membranat bakteriale përmes një ndërveprimi të pazakontë me lipidin kardiolipin dhe është efektiv edhe kundër baktereve më rezistente ndaj barnave. Tjetri, trigintamicin, vepron mbi një motor proteinor të njohur si ClpX, një objektiv antibakterial i rrallë.
Brady thekson se këto zbulime janë vetëm fillimi. Studimi tregon se gjenomet mikrobiale të paarritshme më parë tani mund të deshifrohen dhe të shfrytëzohen për molekula bioaktive në shkallë të gjerë, pa pasur nevojë për kultivimin e organizmave. Çlirimi i potencialit gjenetik të “materies së errët mikrobiale” mund të ofrojë gjithashtu njohuri të reja mbi rrjetet e fshehura mikrobiale që mbajnë gjallë ekosistemet.
“Ne jemi kryesisht të interesuar në molekula të vogla si terapi, por ka aplikime përtej mjekësisë,” thotë Burian. “Studimi i baktereve të kultivueshme solli përparime që ndihmuan të formohej bota moderne, dhe shikimi dhe qasja më në fund tek shumica e pakultivueshme do të nxisë një brez të ri zbulimesh.”
