מחקר מגלה כיצד התמקדות במסלולים מטבוליים ייחודיים בפתוגנים ספציפיים יכולה להוביל לאנטיביוטיקה מדויקת, המציעה פתרון לעמידות לאנטי-מיקרוביאלית.
לִלמוֹד: ניתן להשתמש בפנוטיפים מטבוליים ספציפיים לנישה לזיהוי מטרות אנטי-מיקרוביאליות בפתוגנים. קרדיט תמונה: Fahroni/Shutterstock.com
במחקר שפורסם לאחרונה ב PLoS ביולוגיה, קבוצת חוקרים זיהתה פנוטיפים מטבוליים ספציפיים לנישה וגנים חיוניים בפתוגנים באמצעות שחזורים מטבוליים בקנה מידה גנום (GENREs), והוכיחו את הפוטנציאל שלהם כמטרות לפיתוח טיפולים אנטי-מיקרוביאליים ממוקדים.
רֶקַע
פתוגנים חיידקיים אחראים לתמותה גלובלית משמעותית, מהווים 16% ממקרי המוות ברחבי העולם ו-44% במסגרות של משאבים נמוכים. עם למעלה מ-500 פתוגנים ידועים הקשורים לאדם, העמידות הגוברת לאנטי-מיקרוביאלית הפכה את הטיפול למאתגר יותר ויותר.
התמקדות במסלולים מטבוליים ייחודיים לנישות פיזיולוגיות ספציפיות מציעה אלטרנטיבה מבטיחה לאנטיביוטיקה רחבת טווח, שעלולה להפחית את התפתחות העמידות. תופעות אבולוציוניות כמו ברירה טבעית ואבולוציה מתכנסת משפיעות ככל הנראה על פנוטיפים מטבוליים של פתוגנים בנישות שונות, אך הקשרים הללו נותרו לא נחקרו.
GENREs עם תפוקה גבוהה יכולים לחשוף חתימות מטבוליות ספציפיות לנישה, ולסלול את הדרך לטיפולים אנטי-מיקרוביאליים חדשים וממוקדים. דרוש מחקר נוסף לצורך אימות.
לגבי המחקר
רצפי גנום חיידקים ממסד הנתונים של Bacterial and Viral Bioinformatics Resource Center (BV-BRC) בגרסה 3.6.12 סוננו על סמך איכות, שלמות ומקור המארח האנושי. הקריטריונים להכללה דרשו שהגנומים יהיו מלאים ב-80% לפחות, בעלי רמות זיהום מתחת ל-10% ומפגינים עקביות גבוהה עם רצפי חלבונים ידועים.
בחירה מונעת על ידי מטא-נתונים קבעה עדיפות לרצפים עם הערות מקיפות, מה שמבטיח ניתוחים מדויקים במורד הזרם. תהליך זה הניב 914 רצפי גנום ייחודיים, אשר סומנו באמצעות הערה מהירה באמצעות Subsystem Technology (RAST) גרסה 2.0 ושוחזרו ל-GENREs באמצעות אלגוריתם Reconstructor. מידוד עם הכלי בדיקת מודלים מטבוליים (MEMOTE) אישר את איכות המודלים המשוחזרים.
נוצרה מטריצת נוכחות תגובה כדי לנתח שונות מטבולית, סיווג תגובות לקטגוריות ליבה, עזר וקטגוריות ייחודיות. היסטוגרמה חשפה 232 תגובות הקיימות באופן ייחודי בזן בודד, המדגישה את מגוון הפונקציות המטבוליות על פני פתוגנים.
ניתוח איזון שטף (FBA) בוצע עבור כל ה-GENRE, ולאחר מכן הפחתת מימדים באמצעות t-distributed Stochastic Neighbor Embedding (t-SNE) להדמיה. גישה זו הדגישה אשכול טקסונומי ונישתי ספציפי, ואימתה את השימוש ב-10 דגימות שטף לכל GENRE לניתוח יעיל.
גנים חיוניים זוהו באמצעות נוקאאוט של גן בודד מבוסס FBA, ובידוד גנים ספציפיים לנישה. הגן thymidylate synthase X (thyX)בעל חשיבות ייחודית לבידוד קיבה, התמקד בתרכובת lawsone.
אימות ניסיוני באמצעות מבחני גידול מיקרוביאליים אישר את יעילותו, תמך בתחזיות חישוביות והדגים את הפוטנציאל של אסטרטגיות אנטי-מיקרוביאליות ספציפיות לנישה.
תוצאות המחקר
כדי ללכוד את המגוון של פנוטיפים מטבוליים פונקציונליים על פני פתוגנים חיידקיים, נוצרו 914 ב-SILICO GENREs, המקיפים 345 מינים על פני תשעה פילות חיידקים. שחזורים אלה, שנוצרו באמצעות צינור אוטומטי, כוללים למעלה ממיליון תגובות, גנים ומטבוליטים משולבים.
בממוצע, כל מודל מכיל כ-1,500 גנים, תגובות ומטבוליטים. אוסף GENRE, המכונה שחזור רשת בקנה מידה PATHogen GENome (PATHGENN), הוא האוסף האיכותי הראשון של שחזורים מטבוליים עבור כל הפתוגנים החיידקיים הידועים הקשורים לבני אדם.
מודלים נבנו באמצעות רצפי גנום זמינים לציבור ממרכז משאבי הביואינפורמטיקה החיידקים והוויראליים (BV-BRC), ואיכותם אומתה באמצעות מידוד MEMOTE, שאישר ציון ממוצע של 84%, המסמל רלוונטיות ביולוגית גבוהה.
PATHGENN מציע תובנות חשובות לגבי חילוף החומרים של פתוגנים על ידי סיווג תגובות מטבוליות כליבה (נוכחת ב->75% מהז'אנרים), אביזר (25%-75%) או ייחודי (<25%). הערת תגובה גילתה כי תגובות ייחודיות כרוכות לעתים קרובות בחילוף החומרים של טרפנואידים, פוליקטידים וקסנוביוטיים, אשר קשורים לחילוף החומרים של התרופה ועמידות לאנטי-מיקרוביאלית.
הניתוח הראה גם שקיבוץ של פנוטיפים מטבוליים מתיישב עם המחלקה הטקסונומית וגם עם הנישה הפיזיולוגית, מה שמדגיש את ההשפעה של ההיסטוריה האבולוציונית ולחצים הסביבתיים על התפקוד המטבולי.
המחקר זיהה שבעה גנים חיוניים ייחודיים בפתוגנים הקשורים לקיבה, תוך התמקדות במטרות ספציפיות לנישה, כולל thyXהמקודד ל-thymidylate synthase. אנזים זה, חיוני עבור חומצה דאוקסיריבונוקלאית סינתזה (DNA), נעדרת בבני אדם, מה שהופך אותה ליעד מבטיח להתפתחות אנטי-מיקרוביאלית.
Lawsone, מעכב ידוע של thyXנבדק על יכולתו לעכב את הצמיחה של פתוגנים בקיבה באופן סלקטיבי. אימות ניסוי הראה כי Lawsone עיכב ביעילות את הצמיחה של פתוגנים הקשורים לקיבה מבלי להשפיע על מבודדים שאינם קשורים לקיבה, ותמך בתחזיות החישוביות ובפוטנציאל לטיפולים אנטי-מיקרוביאליים ממוקדים.
הממצאים מדגישים את הפוטנציאל של מינוף נישות פיזיולוגיות לפיתוח אסטרטגיות אנטי-מיקרוביאליות ספציפיות לאתר. התמקדות בגנים חיוניים ייחודיים המשותפים לפתוגנים בסביבה ספציפית יכולה להפחית את ההסתמכות על אנטיביוטיקה רחבת טווח ולהילחם בעמידות לאנטי-מיקרוביאלית.
מסקנות
לסיכום, משבר העמידות לאנטי-מיקרוביאלית דורש אסטרטגיות חדשניות לזיהוי טיפולים חדשים או מחודשים. באמצעות נתונים גנומיים ומודלים של רשתות מטבוליות, מחקר זה זיהה thyXגן חיוני ספציפי לנישה, כמטרה אנטי-מיקרוביאלית מבטיחה בפתוגנים של קיבה.
אוסף של 914 GENRE סיפק תובנות חשובות לגבי חילוף החומרים של פתוגנים. ניסויי אימות אישרו ש-lawsone, a thyX מעכב, מעכב באופן סלקטיבי פתוגנים ספציפיים לקיבה מבלי להשפיע על בידודים שאינם קיבה.
גישה זו מדגישה את הפוטנציאל של טיפולים אנטי-מיקרוביאליים ממוקדים וספציפיים לאתר כדי להתמודד עם אתגרי עמידות.