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Science:新研究揭示人类微生物组是潜力巨大的新型抗菌药物聚宝盆

来源:本站原创 2019-10-24 13:29

2019年10月24日讯/生物谷BIOON/---就像淘金热中的淘金者曾经在北加州的山上开采这种闪亮的贵金属一样,“生物勘探者(bioprospector)”也在寻找新的奖项:潜在的抗菌分子,而且他们正在人类微生物组(microbiome)中寻找它们。

近二十年来,科学家们一直在揭开将人体作为家园的这些微生物群落的神秘面纱。如今,他们将人类微生物组视为一种未开发的分子来源,所提供的分子可能有助于抗击感染并且有可能治疗其他疾病。

在一项新的研究中,美国普林斯顿大学的Yuki Sugimoto博士及其同事们将生物信息学与合成生物学相结合,鉴定出具有类似药物功能的生物活性小分子。通过使用他们的新计算算法,他们能够阐明潜在有效抗菌分子的DNA指纹。相关研究结果近期发表在Science期刊上,论文标题为“A metagenomic strategy for harnessing the chemical repertoire of the human microbiome”。论文通讯作者为普林斯顿大学分子生物学家Mohamed Donia。Sugimoto是Donia实验室的博士后研究员。
图片来自CC0 Public Domain。

Sugimoto指出:“人类微生物组中包含成千上万种细菌,其组成在人体不同部位之间以及在不同人体之间都不同。”

人类微生物组由生活在人体内部和表面上的多种共生微生物---包括巨大的细菌菌落,甚至包括有益的病毒和真菌---组成,它们作为每个人的个人生态系统的一部分,共生地茁壮成长。尽管近年来在阐明人类微生物组对人类健康和疾病的影响方面取得了显著进展,但是控制这些影响的潜在分子和机制仍未得到充分探索,至少到目前为止就是如此。

普林斯顿大学的生物勘探研究是人类微生物组研究中的一个发展较快的新领域。近年来,随着生物技术公司和制药公司开始了相关项目,人类微生物组研究研究已经从一个神秘的研究领域变成了一个价值数十亿美元的行业。

从学术上讲,美国国家卫生研究院发起的人类微生物组计划(Human Microbiome Project)于2007年至2016年期间开展,是旨在全面了解人类微生物群落所发挥作用的早期工作。第二阶段是2014年启动的人类微生物组整合计划(Integrative Human Microbiome Project),旨在进一步表征共生微生物群落、它们对疾病过程的影响,以及它们在身心健康中的作用。

Sugimoto的研究背景是合成生物学,他获得了德国弗里德里希席勒大学的博士学位。他一直致力于鉴定具有生物学活性的源自人类微生物组的分子。他在这项新研究中提供的最新数据揭示了人类微生物群的潜力以及这些微生物在未来的抗菌药物开发中的潜在作用。

考虑到抗生素开发的悠久历史,实现这一点并非遥不可及。比如,在1928年Alexander Fleming偶然发现青霉素之后,真菌的抗菌活性已被人们认识了近100年。1943年,美国罗格斯大学发现的抗生素链霉素,即一种源自土壤细菌---灰链霉菌---的药物,以及其他发现,进一步为研究展示看似简单的生物如何产生复杂的生物活性分子奠定了基础。直到现在,人们才认识到在人类微生物组中的微生物群落具有产生类似药物功能的分子的潜力。

Sugimoto及其同事们将人类微生物组描述为鉴定新药化学结构的一种无与伦比的资源。他们在这篇论文中写道:“我们发现,临床上使用的一类分子的成员广泛地编码在人类微生物组中,而且它们对邻近的微生物发挥着有效的抗菌作用。我们的方法为系统性揭示人类微生物组编码的化学分子库铺平了道路。”

在寻找过程中,这些研究人员依靠他们定制的方法,这是一种计算机算法,可让他们搜索大量的分子片段。这种称为MetaBGC(metagenome biosynthetic gene cluster, 宏基因组生物合成基因簇)的生物信息学方法使得他们能够发现来自人类微生物组的之前从未报道过的分子。他们着重关注来自口腔、肠道和皮肤的样本,这是因为这些部位富含微生物菌群。

他们在这三个部位发现了多种新型酶,即II型聚酮化合物合酶BGC,简称为TII-PKS BGC。鉴于一种TII-PKS酶是药物阿霉素(一种具有抗生素活性的抗癌药物)中的一个重要成分,TII-PKS分子广为人所知。除了在癌症治疗中的作用外,阿霉素还用于一种筛选环境细菌的测定方法当中。

为了检验他们关于TII-PKS BGC分子发现的重要性,Sugimoto及其团队测试了来自世界各地---美国、丹麦、西班牙、斐济和中国---的样本。他们发现无论地理位置如何,人们都拥有合成这些分子的基因,这表明它们在人群中普遍存在。

Sugimoto说:“在这里发现的13种BGC中,两种BGC的产物存在结构上的多样性,而且它们在结构或生物学活性上与临床使用的药物相似,这一事实显然促使了对这类物质的进一步功能研究。这些研究不仅将成为在分子水平上阐明微生物与宿主相互作用的重要途径,而且还将成为从人体内部发现药物的一种前所未有的资源。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Yuki Sugimoto et al. A metagenomic strategy for harnessing the chemical repertoire of the human microbiome.Science, 2019, doi:10.1126/science.aax9176.

2.Microbiome: Untapped source of novel antimicrobials
https://medicalxpress.com/news/2019-10-microbiome-untapped-source-antimicrobials.html
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