Ny forskning identificerer metaboliske mål for at bekæmpe antibiotika-resistente bakterielle infektioner

Ny forskning identificerer metaboliske mål for at bekæmpe antibiotika-resistente bakterielle infektioner

Undersøgelsen viser, hvordan målretning af unikke metaboliske veje i specifikke patogener kan føre til præcisionsantibiotika og give en løsning på antimikrobiel resistens.

I en nylig offentliggjort undersøgelse iPLOS biologiNuværendeEn gruppe forskere identificerede nichespecifikke metaboliske fænotyper og essentielle gener i patogener ved hjælp af opskalering af metaboliske rekonstruktioner af genomet (genrer), hvilket demonstrerede deres potentiale som mål for udviklingen af ​​målrettede antimikrobielle terapier.

baggrund

Bakterielle patogener er ansvarlige for betydelig global dødelighed og tegner sig for 16 % af dødsfaldene på verdensplan og 44 % i miljøer med lav ressource. Med over 500 kendte human-associerede patogener er voksende antimikrobiel resistens blevet stadig sværere.

Målretning af metaboliske veje, der er unikke for specifikke fysiologiske nicher, tilbyder et lovende alternativ til bredspektrede antibiotika og reducerer potentielt udviklingen af ​​resistens. Evolutionære fænomener som naturlig selektion og konvergent evolution påvirker sandsynligvis de metaboliske fænotyper af patogener i forskellige nicher, men disse forbindelser forbliver underudnyttede.

High-throughput genrer kan afsløre niche-specifikke metaboliske signaturer og bane vejen for nye, målrettede antimikrobielle terapier. Yderligere forskning er nødvendig for validering.

Om studiet

Bakterielle genomsekvenser fra Bacterial and Viral Bioinformatics Resource Center (BV-BRC) version 3.6.12-databasen blev filtreret baseret på kvalitet, fuldstændighed og human værtsoprindelse. Kriterierne for inklusion krævede, at genomerne skulle være mindst 80 % fuldstændige, have kontaminantniveauer under 10 % og have høj overensstemmelse med kendte proteinsekvenser.

Metadata-drevne udvælgelsessekvenser med omfattende annoteringer, der sikrer nøjagtige downstream-analyser. Denne proces gav 914 unikke genomsekvenser, som blev kommenteret ved hjælp af hurtig annotering ved hjælp af subsystem technology (RAST) version 2.0 og rekonstrueret til genrer via rekonstruktoralgoritmen. Benchmarking med MEMOTE-værktøjet (Metabolic Model Testing) bekræftede kvaliteten af ​​de rekonstruerede modeller.

En reaktionstilstedeværelsesmatrix blev oprettet for at analysere metabolisk variabilitet og klassificere reaktioner i kerne-, tilbehørs- og unikke kategorier. Et histogram afslørede 232 responser unikke for en enkelt stamme, hvilket understreger mangfoldigheden af ​​metaboliske funktioner på tværs af patogener.

Fluxbalanceanalyse (FBA) blev udført for alle genrer, efterfulgt af dimensionalitetsreduktion ved brug af T-Distributed Stokastisk Neighbor Embedding (T-SNE) til visualisering. Denne tilgang fremhævede taksonomisk og nichespecifik klyngedannelse og validerede brugen af ​​10 flodprøver pr. genre til effektiv analyse.

Essentielle gener blev identificeret af FBA-baserede enkelt-gen knockouts, isolering af niche-specifikke gener. Thymidylatsyntase X-genet(thyx)Klart vigtigt for gastriske isolater blev angrebet med forbindelsen Lawone.

Eksperimentel validering ved hjælp af mikrobielle vækstassays bekræftede deres effektivitet, understøttede de beregningsmæssige forudsigelser og demonstrerer potentialet af nichespecifikke antimikrobielle strategier.

Studieresultater

For at fange mangfoldigheden af ​​funktionelle metaboliske fænotyper på tværs af bakterielle patogener blev 914 i silico-genrer genereret, omfattende 345 arter på tværs af ni bakterielle phyla. Disse rekonstruktioner, genereret af en automatiseret pipeline, omfatter over en million kombinerede reaktioner, gener og metabolitter.

I gennemsnit indeholder hver model cirka 1.500 gener, reaktioner og metabolitter. Gensamlingen, omtalt som patogengenomnetværksrekonstruktion (Pathgenn), er den første højkvalitetskompilering af metaboliske rekonstruktioner for alle kendte human-associerede bakterielle patogener.

Modellerne blev konstrueret ved hjælp af offentligt tilgængelige genomsekvenser fra Bacterial and Viral Bioinformatics Resource Center (BV-BRC), og deres kvalitet blev valideret ved hjælp af Memote benchmarking, hvilket bekræfter en gennemsnitlig score på 84%, hvilket indikerer høj biologisk relevans.

Pathgenn giver værdifuld indsigt i patogenmetabolisme ved at kategorisere metaboliske reaktioner som kerne (i >75 % af genrerne), tilbehør (25 %-75 %) eller unikke (<25 %). Reaktionsannotering afslørede, at unikke reaktioner ofte involverer terpenoid-, polyketid- og xenobiotisk metabolisme, som er forbundet med lægemiddelmetabolisme og antimikrobiel resistens.

Analysen viste også, at klyngning af metaboliske fænotyper er i overensstemmelse med både taksonomisk klasse og fysiologisk niche, hvilket fremhæver virkningerne af evolutionær historie og miljømæssigt pres på metabolisk funktion.

Fokuseret i undersøgelsenThyxsom koder for thymidylatsyntase. Dette enzym, afgørende forDeoxyribonukleinsyre(DNA) syntese mangler hos mennesker, hvilket gør det til et lovende mål for antimikrobiel udvikling.

LawSone, en kendt hæmmer afThyxblev testet for dets evne til selektivt at hæmme væksten af ​​gastriske patogener. Eksperimentel validering viste, at LawSone effektivt hæmmede væksten af ​​mave-associerede patogener uden at påvirke ikke-mave-associerede isolater, hvilket understøttede beregningsmæssige forudsigelser og potentialet for målrettede antimikrobielle terapier.

Resultaterne fremhæver potentialet ved at udnytte fysiologiske nicher til at udvikle stedspecifikke antimikrobielle strategier. Målretning af unikke essentielle gener, der deles af patogener i et specifikt miljø, kan reducere afhængigheden af ​​bredspektrede antibiotika og bekæmpe antimikrobiel resistens.

Konklusioner

Sammenfattende kræver den antimikrobielle resistenskrise innovative strategier til at identificere nye eller genbrugte behandlinger. Ved hjælp af genomiske data og modabolsk netværksmodellering identificerede denne undersøgelseThyxet nichespecifikt essentielt gen som et lovende antimikrobielt mål i gastriske patogener.

En samling af 914 genrer gav værdifuld indsigt i patogenmetabolisme. Valideringseksperimenter bekræftede, at Lawsone, enThyxInhibitor hæmmede selektivt de mavespecifikke patogener uden at påvirke ikke-mave-isolater.

Denne tilgang fremhæver potentialet for målrettede, stedspecifikke antimikrobielle terapier til at løse resistensudfordringer.

Kilder: