Nova istraživanja identificiraju metaboličke ciljeve za borbu protiv bakterijskih infekcija otpornih na antibiotike

Nova istraživanja identificiraju metaboličke ciljeve za borbu protiv bakterijskih infekcija otpornih na antibiotike

Studija pokazuje kako ciljanje jedinstvenih metaboličkih putova kod specifičnih patogena može dovesti do preciznih antibiotika i pružiti rješenje za antimikrobnu otpornost.

U nedavno objavljenoj studiji uPLOS biologijaPredstavitiSkupina istraživača identificirala je specifične metaboličke fenotipove i esencijalne gene u patogenima pomoću povećanih metaboličkih rekonstrukcija genoma (žanrova), pokazujući njihov potencijal kao meta za razvoj ciljanih antimikrobnih terapija.

pozadina

Bakterijski patogeni odgovorni su za značajnu globalnu smrtnost, čineći 16% smrtnih slučajeva diljem svijeta i 44% u okruženjima s niskim resursima. S više od 500 poznatih patogena povezanih s ljudima, rastuća otpornost na antibiotike postaje sve teža.

Usmjeravanje na metaboličke putove jedinstvene za specifične fiziološke niše nudi obećavajuću alternativu antibioticima širokog spektra i potencijalno smanjuje razvoj rezistencije. Evolucijski fenomeni kao što su prirodna selekcija i konvergentna evolucija vjerojatno utječu na metaboličke fenotipove patogena u različitim nišama, ali te veze ostaju nedovoljno iskorištene.

Žanrovi visoke propusnosti mogu otkriti metaboličke potpise specifične za nišu i otvoriti put za nove, ciljane antimikrobne terapije. Za validaciju su potrebna daljnja istraživanja.

O studiju

Sekvence bakterijskog genoma iz baze podataka Bacterial and Viral Bioinformatics Resource Center (BV-BRC) verzija 3.6.12 filtrirane su na temelju kvalitete, potpunosti i podrijetla ljudskog domaćina. Kriteriji za uključivanje zahtijevali su da genomi budu najmanje 80% potpuni, da imaju razinu kontaminacije ispod 10% i da imaju visoku konzistentnost s poznatim proteinskim sekvencama.

Nizovi odabira vođeni metapodacima s opsežnim komentarima koji osiguravaju točne nizvodne analize. Ovaj proces je dao 914 jedinstvenih sekvenci genoma, koji su označeni korištenjem brze oznake pomoću tehnologije podsustava (RAST) verzija 2.0 i rekonstruirani u žanrove putem algoritma za rekonstrukciju. Benchmarking s alatom MEMOTE (Metabolic Model Testing) potvrdio je kvalitetu rekonstruiranih modela.

Izrađena je matrica prisutnosti reakcija za analizu metaboličke varijabilnosti i klasifikaciju reakcija u osnovne, pomoćne i jedinstvene kategorije. Histogram je otkrio 232 odgovora jedinstvena za jedan soj, naglašavajući raznolikost metaboličkih funkcija među patogenima.

Analiza ravnoteže toka (FBA) provedena je za sve žanrove, nakon čega je uslijedilo smanjenje dimenzionalnosti korištenjem T-distribuirane stohastičke susjedne ugradnje (T-SNE) za vizualizaciju. Ovaj pristup istaknuo je taksonomsko grupiranje i klasteriranje specifično za nišu i potvrdio upotrebu 10 riječnih uzoraka po žanru za učinkovitu analizu.

Esencijalni geni su identificirani FBA-baziranim nokautom jednog gena, izolirajući gene specifične za nišu. Gen za timidilat sintazu X(thyx)Jasno važno za želučane izolate napadnuto je spojem Lawone.

Eksperimentalna validacija korištenjem testova mikrobnog rasta potvrdila je njihovu učinkovitost, podržavajući računalna predviđanja i demonstrirajući potencijal antimikrobnih strategija specifičnih za pojedine niše.

Rezultati studije

Kako bi se uhvatila raznolikost funkcionalnih metaboličkih fenotipova među bakterijskim patogenima, generirano je 914 žanrova in silico, koji obuhvaćaju 345 vrsta u devet bakterijskih tipova. Ove rekonstrukcije, generirane automatiziranim cjevovodom, uključuju više od milijun kombiniranih reakcija, gena i metabolita.

U prosjeku svaki model sadrži približno 1500 gena, reakcija i metabolita. Zbirka gena, koja se naziva rekonstrukcija mreže genoma patogena (Pathgenn), prva je visokokvalitetna kompilacija metaboličkih rekonstrukcija za sve poznate bakterijske patogene povezane s ljudima.

Modeli su konstruirani korištenjem javno dostupnih sekvenci genoma iz Resursnog centra za bakterijsku i virusnu bioinformatiku (BV-BRC), a njihova je kvaliteta potvrđena korištenjem Memote benchmarkinga, potvrđujući prosječnu ocjenu od 84%, što ukazuje na visoku biološku relevantnost.

Pathgenn pruža vrijedne uvide u metabolizam patogena kategorizirajući metaboličke reakcije kao ključne (u >75% žanrova), dodatne (25%-75%) ili jedinstvene (<25%). Napomena o reakciji otkrila je da jedinstvene reakcije često uključuju metabolizam terpenoida, poliketida i ksenobiotika, koji su povezani s metabolizmom lijekova i antimikrobnom rezistencijom.

Analiza je također pokazala da je grupiranje metaboličkih fenotipova u skladu s taksonomskom klasom i fiziološkom nišom, naglašavajući učinke evolucijske povijesti i pritisaka okoline na metaboličku funkciju.

Usredotočen na radnu sobuThyxkoji kodira timidilat sintazu. Ovaj enzim, ključan zaDeoksiribonukleinska kiselina(DNA) nedostaje kod ljudi, što ga čini obećavajućom metom za razvoj antimikrobnih sredstava.

LawSone, poznati inhibitorThyxtestirana je njegova sposobnost da selektivno inhibira rast želučanih patogena. Eksperimentalna validacija pokazala je da je LawSone učinkovito inhibirao rast patogena povezanih sa želucem bez utjecaja na izolate koji nisu povezani sa želucem, podupirući računalna predviđanja i potencijal za ciljane antimikrobne terapije.

Rezultati naglašavaju potencijal iskorištavanja fizioloških niša za razvoj antimikrobnih strategija specifičnih za pojedino mjesto. Usmjeravanje na jedinstveno esencijalne gene koje dijele patogeni u određenom okruženju moglo bi smanjiti ovisnost o antibioticima širokog spektra i boriti se protiv otpornosti na antibiotike.

Zaključci

Ukratko, kriza otpornosti na antimikrobne lijekove zahtijeva inovativne strategije za prepoznavanje novih ili prenamijenjenih terapija. Koristeći genomske podatke i modeliranje modaboličke mreže, ova je studija identificiralaThyxesencijalni gen specifičan za nišu kao obećavajući antimikrobni cilj kod želučanih patogena.

Zbirka od 914 žanrova pružila je vrijedan uvid u metabolizam patogena. Eksperimenti validacije potvrdili su da Lawsone, aThyxInhibitor je selektivno inhibirao patogene specifične za želudac bez utjecaja na izolate izvan želuca.

Ovaj pristup naglašava potencijal za ciljane, specifične antimikrobne terapije za rješavanje izazova otpornosti.

Izvori: