In silico genome mining of biosynthetic gene clusters in the marine actinobacteria Salinispora and identification of novel secondary metabolites

Tief im Ozean, wo das Sonnenlicht verblasst und der Druck zunimmt, sind winzige Bakterien namens Actinomyceten fleißige chemische Fabriken. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass diese Mikroben eine riesige Vielfalt an natürlichen Verbindungen produzieren, von denen viele zu lebensrettenden Medikamenten für den Menschen geworden sind, einschließlich Antibiotika und Krebsmedikamenten. Diese Verbindungen sind nicht zufällig; sie werden nach präzisen genetischen Blaupausen gebaut, die im Inneren der DNA der Bakterien verborgen sind. Diese Blaupausen sind in Gruppen organisiert, die Biosynthese-Gencluster genannt werden. Stellen Sie sich einen Gencluster wie ein vollständiges Handbuch vor, um ein spezifisches chemisches Werkzeug zu bauen. Während Wissenschaftler gelernt haben, viele dieser Handbücher mithilfe von Standard-Computerprogrammen zu lesen, bleibt eine große Anzahl von ihnen ungelesen. Diese verborgenen Anweisungen produzieren oft Chemikalien, die denjenigen, die wir bereits kennen, völlig fremd sind, und sie könnten die Schlüssel zur Heilung von Krankheiten halten, für die es derzeit keine Heilung gibt. Die Herausforderung bestand darin, dass die alten Computerprogramme nur auf den Handbüchern trainiert wurden, die wir bereits verstanden, weshalb sie die seltsamen, unbekannten Exemplare übersahen.

Ein Forscherteam hat sich nun einem fortschrittlicheren Ansatz zugewandt, um diese verborgenen Handbücher in einer speziellen Gruppe von Meeresbakterien namens Salinispora zu finden. Diese Bakterien sind einzigartig, da sie ohne Meerwasser nicht überleben können und in tropischen Meeresböden vorkommen. Sie sind berühmt dafür, starke Medikamente zu produzieren, doch die Forscher vermuteten, dass ihre Genome noch immer viele Geheimnisse bargen. Um dies zu enthüllen, setzte das Team eine neue Art von künstlicher Intelligenz ein, das sogenannte Deep Learning. Im Gegensatz zu älteren Programmen, die starren Regeln folgen, lernt dieses Deep-Learning-System durch das Studium tausender Beispiele, was es ihm ermöglicht, Muster in der DNA zu erkennen, die wie chemische Fabriken aussehen, selbst wenn sie keiner bekannten Anleitung entsprechen. Die Forscher wandten dieses intelligente System auf den genetischen Code von acht verschiedenen Arten von Salinispora an. Sie wollten sehen, ob sie die stillen, verborgenen chemischen Fabriken finden konnten, die traditionelle Methoden übersehen hatten.

Die Ergebnisse offenbarten eine Landschaft, die weitaus reicher war als bisher angenommen. Während die Standard-Computertools eine große Anzahl von Genclustern fanden, entdeckte das Deep-Learning-System 138 zusätzliche Cluster, die die älteren Werkzeuge komplett übersehen hatten. Dies waren nicht nur geringfügige Variationen; es handelte sich um völlig neue Arten von chemischen Fabriken. Als die Forscher diese neuen Funde nach ihrer Ähnlichkeit gruppierten, identifizierten sie 11 unterschiedliche Familien von Genclustern. Innerhalb dieser Familien fanden sie 5-2 spezifische Gencluster, die als „Waisen“ bezeichnet werden, was bedeutet, dass sie keinen Treffer in keiner Datenbank bekannter Naturstoffe haben. Dies deutet darauf hin, dass die Salinispora-Bakterien in der Lage sind, eine riesige Vielfalt an einzigartigen Chemikalien zu produzieren, die die Wissenschaft bisher noch nie gesehen hat. Die Studie konzentrierte sich auf vier Haupttypen dieser verborgenen Fabriken: solche, die komplexe zuckerbasierte Moleküle bauen, solche, die peptidbasierte Ketten erzeugen, solche, die beide Methoden mischen, und solche, die Polyketide aufbauen – eine Klasse von Verbindungen, die oft in der Medizin verwendet wird.

Um zu verstehen, was diese verborgenen Fabriken produzieren könnten, nutzten die Forscher Computermodelle, um die genetischen Anweisungen in potenzielle chemische Strukturen zu übersetzen. Dieser Prozess generierte 280 verschiedene chemische Formen. Als sie diese Formen mit einer massiven globalen Datenbank bekannter Chemikalien verglichen, stellten sie fest, dass mehr als zwei Drittel eine geringe Ähnlichkeit mit bestehenden Datensätzen aufwiesen, was darauf hindeutet, dass sie weitgehend neu sind. Die Forscher führten anschließend Simulationen durch, um zu erraten, was diese neuen Chemikalien bewirken könnten. Die Ergebnisse waren vielversprechend. Die Simulationen deuteten darauf hin, dass viele dieser Verbindungen als starke Inhibitoren wirken könnten, die bestimmte Enzyme am Arbeiten hindern, oder das Immunsystem modulieren könnten. Einige zeigten Potenzial, Krebszellen zu töten, während andere in der Lage zu sein schienen, Bakterien und Pilze zu bekämpfen. Die am häufigsten vorhergesagte Art neuer chemischer Strukturen stammte aus den Hybrid-Fabriken, die Peptide und Polyketid-Baumethoden mischen – eine Kombination, die für die Erzeugung hochkomplexer und potenter Medikamente bekannt ist.

Die Studie untersuchte auch, wie diese Bakterien untereinander verwandt sind und wie sich ihre genetischen Werkzeuge entwickelt haben. Durch den Vergleich der DNA der acht Arten bestätigten die Forscher, dass sie zwar einen gemeinsamen Kernsatz an Genen teilen, jede Art jedoch ihre eigene einzigartige Sammlung zusätzlicher Gene entwickelt hat. Diese Flexibilität ermöglicht es ihnen, sich an verschiedene Teile des Meeresbodens anzupassen. Die verborgenen Gencluster wurden über verschiedene Arten hinweg als konserviert befunden, was darauf hindeutet, dass diese chemischen Fabriken uralt sind und für das Überleben der Bakterien entscheidend sind. Die spezifischen Chemikalien, die sie produzieren, könnten jedoch leicht variieren, was den Bakterien ermöglicht, effektiv in ihren überfüllten Unterwasser-Nachbarschaften zu konkurrieren. Das Vorhandensein von so vielen verborgenen Fabriken, insbesondere jener, die Zucker und Peptide produzieren, deutet darauf hin, dass diese Bakterien über eine ausgeklügelte chemische Sprache zur Interaktion mit ihrer Umgebung verfügen – eine Sprache, die der Mensch erst am Anfang der Entschlüsselung steht.

Diese Arbeit bedeutet nicht, dass neue Medikamente morgen in den Apotheken stehen werden. Die Ergebnisse basieren auf Computerprognosen und Simulationen. Die Forscher haben die Blaupausen identifiziert und die Produkte vorhergesagt, aber die tatsächlichen Chemikalien wurden noch nicht isoliert oder im Labor getestet. Der nächste Schritt, wie die Forscher skizzieren, besteht darin, diese computergenerierten Ansätze in der realen Welt zu verifizieren. Dies wird bedeuten, die Bakterien im Labor zu züchten, die stillen Gencluster zu aktivieren und die neuen Verbindungen physisch zu trennen, um ihre Struktur und ihre Wirkung auf menschliche Zellen zu bestätuchen. Bis dahin dient diese Studie als eine sehr detaillierte Karte, die Wissenschaftler zu den vielversprechendsten Orten in der mikrobiellen Welt des Ozeans führt, an denen die nächste Generation von Medikamenten warten könnte. Die Salinispora-Bakterien halten, wie es scheint, noch immer einen Schatz an chemischer Vielfalt bereit, der erst jetzt ans Licht kommt.