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

Nel profondo dell'oceano, dove la luce del sole svanisce e la pressione aumenta, minuscoli batteri chiamati actinomiceti sono impegnati come fabbriche chimiche. Per decenni, gli scienziati hanno saputo che questi microbi producono una vasta gamma di composti naturali, molti dei quali sono diventati medicinali salvavita per l'uomo, inclusi antibiotici e trattamenti contro il cancro. Questi composti non sono casuali; sono costruiti secondo precisi progetti genetici nascosti all'interno del DNA dei batteri. Questi progetti sono organizzati in gruppi chiamati cluster genici biosintetici. Pensate a un cluster genico come a un manuale di istruzioni completo per costruire uno specifico strumento chimico. Mentre gli scienziati hanno imparato a leggere molti di questi manuali utilizzando programmi informatici standard, un numero vastissimo di essi rimane non letto. Queste istruzioni nascoste spesso producono sostanze chimiche che non somigliano affatto a quelle che già conosciamo, e potrebbero detenere le chiavi per curare malattie che attualmente non hanno cura. La sfida è stata che i vecchi programmi informatici erano stati addestrati solo sui manuali che già comprendevamo, quindi perdevano di vista quelli strani e sconosciuti.

Un team di ricercatori si è ora rivolto a un approccio più avanzato per trovare questi manuali nascosti in un gruppo specifico di batteri marini noti come Salinispora. Questi batteri sono unici perché non possono sopravvivere senza l'acqua di mare e si trovano nei sedimenti oceanici tropicali. Sono famosi per produrre farmaci potenti, eppure i ricercatori sospettavano che i loro genomi contenessero ancora molti segreti. Per scoprirli, il team ha utilizzato un nuovo tipo di intelligenza artificiale chiamata deep learning (apprendimento profondo). A differenza dei programmi più vecchi che seguono regole rigide, questo sistema di deep learning impara studiando migliaia di esempi, permettendogli di riconoscere schemi nel DNA che sembrano fabbriche chimiche anche quando non corrispondono ad alcun manuale noto. I ricercatori hanno applicato questo sistema intelligente al codice genetico di otto diverse specie di Salispora. Volevano vedere se avrebbero potuto trovare le fabbriche chimiche silenziose e nascoste che i metodi tradizionali avevano trascurato.

I risultati hanno rivelato un panorama molto più ricco di quanto precedentemente immaginato. Mentre gli strumenti informatici standard hanno trovato un gran numero di cluster genici, il sistema di deep learning ha scoperto 138 cluster aggiuntivi che gli strumenti più vecchi avevano completamente mancato. Questi non erano solo variazioni minori; erano tipi completamente nuovi di fabbriche chimiche. Quando i ricercatori hanno raggruppato queste nuove scoperte in base alle loro somiglianze, hanno identificato 11 famiglie distinte di cluster genici. All'interno di queste famiglie, hanno trovato 52 cluster genici specifici che sembravano essere "orfani", il che significa che non avevano corrispondenza in alcun database di prodotti naturali noti. Ciò suggerisce che i batteri Salispora siano capaci di produrre una vasta gamma di sostanze chimiche uniche che la scienza non ha mai incontrato. Lo studio si è concentrato su quattro tipi principali di queste fabbriche nascoste: quelle che costruiscono molecole complesse a base di zuccheri, quelle che creano catene a base di peptidi, quelle che mescolano entrambi i metodi e quelle che costruiscono polichetidi, una classe di composti spesso utilizzati in medicina.

Per capire cosa potrebbero produrre queste fabbriche nascoste, i ricercatori hanno utilizzato modelli informatici per tradurre le istruzioni genetiche in potenziali strutture chimiche. Questo processo ha generato 280 forme chimiche distinte. Quando hanno confrontato queste forme con un enorme database globale di sostanze chimiche note, hanno scoperto che più di due terzi di esse esibivano una bassa somiglianza con i record esistenti, indicando che erano in gran parte nuove. I ricercatori hanno poi eseguito delle simulazioni per indovinare cosa potessero fare queste nuove sostanze chimiche. I risultati sono stati promettenti. Le simulazioni hanno suggerito che molti di questi composti potessero agire come potenti inibitori, bloccando il funzionamento di specifici enzimi, o potevano modulare il sistema immunitario. Alcuni hanno mostrato potenziale nel uccidere le cellule cancerose, mentre altri sembravano capaci di combattere batteri e funghi. La struttura chimica nuova più abbondante predetta proveniva dalle fabbriche ibride che mescolano i metodi di costruzione di peptidi e polichetidi, una combinazione nota per creare medicinali altamente complessi e potenti.

Lo studio ha anche esaminato come questi batteri siano correlati tra loro e come i loro strumenti genetici si siano evoluti. Confrontando il DNA delle otto specie, i ricercatori hanno confermato che, sebbene condividano un set comune di geni centrali, ogni specie ha sviluppato la propria collezione unica di geni extra. Questa flessibilità permette loro di adattarsi a diverse parti del fondale oceanico. I cluster genici nascosti sono stati trovati conservati in diverse specie, suggerendo che queste fabbriche chimiche siano antiche e vitali per la sopravvivenza dei batteri. Tuttavia, le sostanze chimiche specifiche che producono potrebbero variare leggermente, permettendo ai batteri di competere efficacemente nei loro affollati quartieri sottomarini. La presenza di così tante fabbriche nascoste, in particolare quelle che producono zuccheri e peptidi, indica che questi batteri possiedano un linguaggio chimico sofisticato per interagire con il proprio ambiente, un linguaggio che gli esseri umani stanno solo iniziando a decifrare.

Questo lavoro non significa che nuovi farmaci siano pronti per gli scaffali delle farmacie domani. Le scoperte si basano su previsioni e simulazioni informatiche. I ricercatori hanno identificato i progetti e previsto i prodotti, ma le sostanze chimiche reali non sono ancora state isolate o testate in un laboratorio. Il prossimo passo, come delineano i ricercatori, è quello di prendere queste tracce generate dal computer e verificarle nel mondo reale. Ciò comporterà la coltivazione dei batteri in laboratorio, l'attivazione dei cluster genici silenti e la separazione fisica dei nuovi composti per confermarne la struttura e testarne gli effetti sulle cellule umane. Fino ad allora, questo studio funge da mappa altamente dettagliata, che indica agli scienziati le posizioni più promettenti nel mondo microbico dell'oceano, dove potrebbe attendere la prossima generazione di medicinali. I batteri Salispora, si scopre, stanno ancora trattenendo un tesoro di diversità chimica che sta solo ora venendo alla luce.