חוקרים פיתחו אסטרטגיה מעשית לשחזור מידע ביו-סינתטי מנתונים מטאנומיים מפוצלים. באמצעות עבודה זו, החוקרים זיהו ותעדפו מועמדים מבטיחים למוצר טבעי עם פעילות אנטיבקטריאלית או אנטי סרטנית פוטנציאלית. המחקר פורסם ב ספקטרום מיקרוביולוגיהיומן ASM.
מיקרואורגניזמים מייצרים מוצרים טבעיים רבים שהפכו לתרופות חשובות, כולל אנטיביוטיקה ותרופות אנטי סרטניות. "הביוסינתזה של מוצרים טבעיים אלו מקודדת על ידי אשכולות גנים ביו-סינתטיים (BGCs), שהם קבוצות של גנים שכנים הפועלים יחד כדי לייצר תרכובת ספציפית", אמר מחבר המחקר המקביל Lei Zhang, Ph.D., פרופסור להנדסת תרופות באוניברסיטה הרפואית ג'ינינג בסין. "עם זאת, עדיין לא ניתן לתרבת את רוב המיקרואורגניזמים בסביבה במעבדה, ו-BGCs ששוחזרו ממכלולים מטאנומיים לרוב מפוצלים על פני קונטיגים (סדרה של רצפי DNA חופפים). זה מקשה על שחזור מסלולים ביו-סינתטיים שלמים ולקבוע אילו אשכולות צפויים לייצר תרכובות שימושיות רפואיות".
כדי לפתח את האסטרטגיה החדשה שלהם לשחזור מידע ביו-סינתטי מנתונים מטאנומיים מפוצלים, החוקרים התחילו עם צבירי גנים ביו-סינתטיים שתוצריהם כבר אופיינו בניסוי והשתמשו בהם כ"מפות" ייחוס. הם חיפשו מערכי נתונים מטאנומיים גדולים אחר חלקים קשורים של מידע ביו-סינתטי. כאשר חלקים אלה היו מפוצלים, הם השתמשו באשכולות הידועים כמנחים כדי לעזור לשחזר את המסלול החסר ולחזות אילו סוגי מולקולות הוא עשוי לייצר. לאחר מכן הם עשו סינתזה כימית של תרכובות חזויות נבחרות ובדקו את הפעילות הביולוגית שלהן. "חיברנו כרייה חישובית של נתונים מטאנומיים עם אימות ניסיוני", אמר ג'אנג.
החוקרים מצאו כי נתונים מטאנומיים מפוצלים יכולים להכיל מידע ביו-סינתטי בעל ערך שיתפספס אם כל חלק היה מנותח בנפרד. באמצעות צבירי גנים ביו-סינתטיים ידועים כמדריכים, הם הצליחו לחבר מסלולים מועמדים ולזהות מוצרים ביו-אקטיביים פוטנציאליים.
חשוב לציין, עברנו מעבר לחיזוי חישובי. עשינו סינתזה כימית של 6 תרכובות מועמדות ובדקנו אותן על פני 7 שורות תאים סרטניים. התרכובות הראו דפוסים שונים של פעילות ציטוטוקסית, כאשר תרכובות D ו-E הראו את הפעילות הבולטת ביותר והבדלים ברורים בין שורות תאים סרטניים".
Lei Zhang, Ph.D., פרופסור להנדסת תרופות, האוניברסיטה הרפואית של ג'ינינג, סין
המשמעות העיקרית של עבודה זו היא שהיא מציעה מסלול להפיכת BGCs לא שלמים או מקוטעים להשערות מוצר טבעי שניתן לבדיקה. במקום להתייחס ל-BGCs חלקי כבלתי שמיש, הגישה משתמשת BGCs המאופיינים באופן ניסיוני כמדריכים לשחזור ולאחר מכן ממקדת משאבי ניסוי במועמדים עם בסיס חזק יותר למחקר נוסף.
יחד עם זאת, המחקר מבהיר כי שחזור חישובי וחיזוי המוצר הם שלבי תעדוף: עדיין יש לקבוע מבנים כימיים, פעילויות ביולוגיות וערך טיפולי באמצעות ניסויים מתאימים.
"אין להתייחס לנתונים מטאנומיים מפוצלים פשוט כאל לא שלמים או בלתי שמישים", אמר ג'אנג. "המחקר שלנו מראה כי על ידי שימוש במסלולים ביו-סינתטיים ידועים כמדריכים, אנו יכולים לשחזר מידע ביו-סינתטי נסתר, לתעדף מועמדים מבטיחים למוצרים טבעיים ולהעביר אותם מחיזוי חישובי לכיוון ניסויים. זה מספק דרך מעשית לחקור את הפוטנציאל הכימי העצום של מיקרואורגניזמים שעדיין לא נוכל לטפח במעבדה".
ג'אנג הוסיף כי מאפיין מרכזי של העבודה הוא השילוב שלה של גילוי חישובי ואימות ניסיוני. "זרימת העבודה מזהה מועמדים לשחזור, חיזוי מוצר, סינתזה כימית ובדיקות ביולוגיות, כפי שהוכח על ידי 6 התרכובות שהוערכו על פני שבע שורות תאים סרטניים," אמר ג'אנג. "עדיין נדרשים ניסויים נוספים כדי לאשר את המנגנונים הביולוגיים, פרופילי הפעילות והפוטנציאל הטיפולי שלהם, כמו גם האם מוצרים חזויים מיוצרים באופן טבעי על ידי המיקרואורגניזמים המקבילים".
