O nouă strategie descoperă compuși bioactivi din date metagenomice fragmentate
Cercetătorii au dezvoltat o strategie practică pentru recuperarea informațiilor biosintetice din date metagenomice fragmentate.
Prin această muncă, echipa de cercetători a identificat și a prioritizat candidați promițători de produse naturale cu potențial antibacterian sau anticancerigen. Studiul a fost publicat în Microbiology Spectrum, o revistă a ASM.
Microorganismele produc numeroase produse naturale care au devenit medicamente importante, inclusiv antibiotice și medicamente anticancerigene. „Biosinteza acestor produse naturale este codificată de clusterele de gene biosintetice (BGC-uri), care sunt grupuri de gene vecine care colaborează pentru a produce un compus specific”, a declarat autorul corespunzător al studiului, Lei Zhang, Ph.D., profesor de inginerie farmaceutică la Universitatea Medicală Jining din China. „Totuși, majoritatea microorganismelor din mediu nu pot fi cultivate în laborator, iar BGC-urile recuperate din asamblările metagenomice sunt adesea fragmentate pe contiguri (o serie de secvențe ADN care se suprapun). Aceasta face dificilă reconstruirea căilor biosintetice complete și determinarea care clustere sunt cele mai susceptibile să producă compuși utili din punct de vedere medical.”
Pentru a dezvolta noua strategie de recuperare a informațiilor biosintetice din datele metagenomice fragmentate, cercetătorii au început cu clusterele de gene biosintetice ale căror produse au fost deja caracterizate experimental și le-au folosit ca „hărți” de referință. Aceștia au căutat în seturi mari de date metagenomice pentru piese de informație biosintetică conexe. Atunci când aceste piese erau fragmentate, au folosit clusterele cunoscute ca ghiduri pentru a ajuta la reconstruirea căii lipsă și a prezice ce tipuri de molecule ar putea produce. Ulterior, au sintetizat chimic compușii selectați prezicați și le-au testat activitatea biologică. „Am legat mineritul computațional al datelor metagenomice de validarea experimentală”, a spus Zhang.
Cercetătorii au descoperit că datele metagenomice fragmentate pot conține informații biosintetice valoroase care ar fi pierdute dacă fiecare fragment ar fi analizat separat. Folosind clusterele de gene biosintetice cunoscute ca ghiduri, au reușit să reconstituie căile candidate și să identifice produse bioactive potențiale.
„Este important de menționat că am depășit predicția computațională. Am sintetizat chimic 6 compuși candidați și i-am testat pe 7 linii de celule canceroase. Compușii au arătat diferite modele de activitate citotoxică, compușii D și E având cea mai notabilă activitate și diferențe clare între liniile de celule canceroase”, a adăugat Zhang.
Semnificația principală a acestui studiu constă în faptul că oferă o direcție pentru transformarea BGC-urilor incomplete sau fragmentate în ipoteze testabile privind produsele naturale. În loc să trateze BGC-urile parțiale ca fiind neutilizabile, abordarea folosește BGC-urile caracterizate experimental ca ghiduri pentru reconstrucție, concentrându-se apoi pe candidații cu o bază mai solidă pentru studii ulterioare.
Studiul subliniază că reconstrucția computațională și predicția produselor sunt pași de prioritizare: structurile chimice, activitățile biologice și valoarea terapeutică trebuie stabilite prin experimente corespunzătoare.
„Datele metagenomice fragmentate nu ar trebui să fie tratate doar ca incomplete sau neutilizabile”, a afirmat Zhang. „Studiul nostru arată că, folosind căile biosintetice cunoscute ca ghiduri, putem recupera informații biosintetice ascunse, prioritiza candidații promițători de produse naturale și să îi mutăm de la predicția computațională către testarea experimentală. Aceasta oferă o modalitate practică de a explora potențialul chimic enorm al microorganismelor pe care nu le putem cultiva încă în laborator.”
Zhang a adăugat că o caracteristică centrală a lucrării este integrarea descoperirii computaționale și a validării experimentale. „Fluxul de lucru identifică candidații pentru reconstrucție, predicția produselor, sinteza chimică și testarea biologică, așa cum a fost demonstrat de cei 6 compuși evaluați pe șapte linii de celule canceroase”, a spus Zhang. „Experimente suplimentare sunt încă necesare pentru a confirma mecanismele biologice, profilurile de activitate și potențialul terapeutic, precum și dacă produsele prezicate sunt produse naturale de microorganismele corespunzătoare.”
