В человеческих фекалиях нашли 79 потенциальных антибиотиков

Биоинформатики СПбГУ вместе с зарубежными коллегами создали новый вычислительный метод для поиска циклопептидов — класса мощных антибиотиков. Авторы проанализировали масс-спектры образцов человеческого кала и нашли там 79 возможных кандидатов на роль противомикробных препаратов. Результаты исследования опубликованы в журнале Cell Systems.

Просмотреть запись

Когда мы говорим об антибиотиках, то в первую очередь думаем о лекарственных препаратах, которые можно купить в аптеке. Однако антибиотики — это прежде всего «оружие» бактерий, которым они сражаются друг с другом. Люди попросту взяли и адаптировали часть из них для своих нужд — борьбы с инфекциями. Так как возможностью производить подобные вещества обладают разнообразные микроорганизмы, возникает вопрос: а могут ли и бактерии, обитающие в нашем кишечнике (которых насчитывают до тысячи различных видов) производить антибиотики?

Чтобы ответить на этот вопрос международная группа ученых создала новый вычислительный метод для поиска циклопептидов — фармакологически важного класса веществ, который включает в себя много известных антибиотиков, противоопухолевых соединений и иммунодепрессантов. Циклическая структура подобных молекул, с одной стороны, придает им важные физико-химические свойства, позволяющие использовать их в качестве лекарственных препаратов, а с другой — значительно усложняет их обнаружение в природных образцах.

Начиная с грамицидина С, открытого в 1942 году, до настоящего времени было найдено и описано всего порядка 1200 циклопептидов. Их трудно найти и характеризовать, поэтому работа по открытию каждого такого соединения растягивается на долгие годы. Прорывы последних лет в области биотехнологии и биоинформатики приблизили нас к появлению гораздо более быстрого способа нахождения неизвестных прежде циклопептидов.

Так, новая работа российских ученых и зарубежных коллег описывает сразу более 400 новых циклопептидов. Для их выявления команде потребовалось всего несколько дней работы. Они использовали математический алгоритм, который назвали CycloNovo. За это время был обработан гигантский объем экспериментальных данных из образцов микробов и растений, полученных ранее другими учеными и выложенных в открытый доступ в надежде на появление соответствующих алгоритмов обработки.

CycloNovo анализирует данные масс-спектрометров — приборов, которые расщепляют молекулы на небольшие фрагменты и измеряют отношение массы к заряду. Анализируя массу молекулярных фрагментов, CycloNovo определяет, какие именно спектры соответствуют циклопептидам, а затем выявляет их аминокислотную последовательность. Всю эту процедуру можно сравнить с поиском иголки в стоге сена. И несмотря на то, что подобная вычислительная задача встала перед наукой уже более десяти лет назад, полноценно решить ее удалось только сейчас.

Первые же применения CycloNovo к реальным данным продемонстрировали его прикладную значимость как инструмента в руках ученых-биологов и уже успели привести к интересным с медицинской точки зрения результатам. Так, при помощи программы были проанализированы масс-спектры полученных образцов человеческого стула, которые профессор Ларри Смарр, один из соавторов статьи, собирал в течение четырех лет. В них было неожиданно обнаружено большое количество циклопептидов, свойственных семенам льна, а вовсе не бактериям, входящим в микробиоту человека.

Этот факт, на первый взгляд, ставит под вопрос корректность работы алгоритма и всего исследования в целом. Однако вскоре выяснилось, что Смарр употреблял льняное масло, а дни употребления точно совпадают с датами, в которые собирались соответствующие образцы. Таким образом, ученые впервые наглядно продемонстрировали, что циклопептиды из пищи могут сохранять свою структуру при прохождении через неблагоприятную среду человеческого желудка и кишечника. Вполне вероятно, что именно эти вещества — основной фактор антимикробной активности семян льна.

Другим немаловажным результатом данного эксперимента стало то, что циклопептиды семян льна — это всего лишь несколько представителей из сразу 79 циклопептидов, обнаруженных CycloNovo в исследуемых образцах стула. Определение их биологической значимости и функций представляет собой отдельную задачу, над которой уже ведется работа в содружестве с медиками и биологами. Планируется, что к существующему анализу будут добавлены различные подходы к обработке дополнительных видов данных, полученных из человеческого микробиома.