Nový výskum identifikuje metabolické ciele na boj proti bakteriálnym infekciám odolným voči antibiotikám

Nový výskum identifikuje metabolické ciele na boj proti bakteriálnym infekciám odolným voči antibiotikám

Štúdia ukazuje, ako zacielenie na jedinečné metabolické dráhy v špecifických patogénoch môže viesť k presným antibiotikám a poskytnúť riešenie antimikrobiálnej rezistencie.

V nedávno publikovanej štúdii vbiológia PLOSSúčasnosťSkupina výskumníkov identifikovala špecifické metabolické fenotypy a esenciálne gény v patogénoch pomocou zväčšených metabolických rekonštrukcií genómu (žánrov), čo demonštrovalo ich potenciál ako cieľov pre vývoj cielených antimikrobiálnych terapií.

pozadia

Bakteriálne patogény sú zodpovedné za významnú globálnu úmrtnosť, pričom predstavujú 16 % úmrtí na celom svete a 44 % v prostredí s nízkymi zdrojmi. S viac ako 500 známymi patogénmi spojenými s človekom je rastúca antimikrobiálna rezistencia čoraz ťažšia.

Zacielenie na metabolické dráhy jedinečné pre špecifické fyziologické výklenky ponúka sľubnú alternatívu k širokospektrálnym antibiotikám a potenciálne znižuje rozvoj rezistencie. Evolučné javy, ako je prirodzený výber a konvergentná evolúcia, pravdepodobne ovplyvňujú metabolické fenotypy patogénov v rôznych výklenkoch, ale tieto spojenia zostávajú nedostatočne využívané.

Vysoko výkonné žánre môžu odhaliť špecifické metabolické podpisy a pripraviť cestu pre nové, cielené antimikrobiálne terapie. Na overenie je potrebný ďalší výskum.

O štúdiu

Bakteriálne genómové sekvencie z databázy Bacterial and Viral Bioinformatics Resource Center (BV-BRC) verzia 3.6.12 boli filtrované na základe kvality, úplnosti a pôvodu ľudského hostiteľa. Kritériá na zaradenie vyžadovali, aby genómy boli aspoň na 80 % kompletné, mali hladiny kontaminantov pod 10 % a mali vysokú konzistenciu so známymi proteínovými sekvenciami.

Selekcie riadené metadátami s komplexnými anotáciami, ktoré zaisťujú presné následné analýzy. Tento proces priniesol 914 jedinečných sekvencií genómu, ktoré boli anotované pomocou rýchlej anotácie pomocou technológie subsystému (RAST) verzie 2.0 a zrekonštruované do žánrov pomocou algoritmu rekonštruktora. Benchmarking s nástrojom MEMOTE (Metabolic Model Testing) potvrdil kvalitu rekonštruovaných modelov.

Matica prítomnosti reakcie bola vytvorená na analýzu metabolickej variability a klasifikáciu reakcií do základných, doplnkových a jedinečných kategórií. Histogram odhalil 232 reakcií jedinečných pre jeden kmeň, čo podčiarkuje rozmanitosť metabolických funkcií naprieč patogénmi.

Analýza rovnováhy toku (FBA) sa uskutočnila pre všetky žánre, po ktorej nasledovala redukcia rozmerov pomocou T-Distributed Stochastic Neighbor Embedding (T-SNE) na vizualizáciu. Tento prístup zdôraznil taxonomické a špecifické zhlukovanie a potvrdil použitie 10 vzoriek riek na žáner na efektívnu analýzu.

Základné gény boli identifikované jednogénovými knockoutmi založenými na FBA, pričom sa izolovali gény špecifické pre nik. Gén tymidylátsyntázy X(tyx)Jasne dôležitý pre žalúdočné izoláty bol napadnutý zlúčeninou Lawone.

Experimentálna validácia pomocou testov mikrobiálneho rastu potvrdila ich účinnosť, podporila výpočtové predpovede a demonštrovala potenciál špecifických antimikrobiálnych stratégií.

Výsledky štúdie

Na zachytenie rozmanitosti funkčných metabolických fenotypov naprieč bakteriálnymi patogénmi sa vytvorilo 914 žánrov in silico, ktoré zahŕňajú 345 druhov v deviatich bakteriálnych kmeňoch. Tieto rekonštrukcie, generované automatizovaným potrubím, zahŕňajú viac ako milión kombinovaných reakcií, génov a metabolitov.

V priemere každý model obsahuje približne 1500 génov, reakcií a metabolitov. Zbierka génov, označovaná ako rekonštrukcia genómovej siete patogénov (Pathgenn), je prvou kvalitnou kompiláciou metabolických rekonštrukcií pre všetky známe bakteriálne patogény spojené s človekom.

Modely boli skonštruované s použitím verejne dostupných genómových sekvencií z Bakterial and Viral Bioinformatics Resource Center (BV-BRC) a ich kvalita bola overená pomocou benchmarkingu Memote, čo potvrdilo priemerné skóre 84 %, čo naznačuje vysokú biologickú relevanciu.

Pathgenn poskytuje cenné poznatky o metabolizme patogénov kategorizáciou metabolických reakcií ako základné (vo > 75 % žánrov), doplnkové (25 % – 75 %) alebo jedinečné (< 25 %). Anotácia reakcie odhalila, že jedinečné reakcie často zahŕňajú metabolizmus terpenoidov, polyketidov a xenobiotík, ktoré sú spojené s metabolizmom liečiv a antimikrobiálnou rezistenciou.

Analýza tiež ukázala, že zhlukovanie metabolických fenotypov je v súlade s taxonomickou triedou a fyziologickým výklenkom, čo zdôrazňuje účinky evolučnej histórie a environmentálnych tlakov na metabolickú funkciu.

Zamerané v štúdiuThyxktorý kóduje tymidylátsyntázu. Tento enzým, rozhodujúci preKyselina deoxyribonukleováSyntéza (DNA) u ľudí chýba, čo z neho robí sľubný cieľ pre antimikrobiálny vývoj.

LawSone, známy inhibítorThyxbol testovaný na svoju schopnosť selektívne inhibovať rast žalúdočných patogénov. Experimentálna validácia preukázala, že LawSone účinne inhiboval rast patogénov spojených so žalúdkom bez ovplyvnenia izolátov nesúvisiacich so žalúdkom, čo podporuje výpočtové predpovede a potenciál pre cielené antimikrobiálne terapie.

Výsledky zdôrazňujú potenciál využitia fyziologických výklenkov na vývoj miestne špecifických antimikrobiálnych stratégií. Zacielenie na jedinečne základné gény zdieľané patogénmi v špecifickom prostredí by mohlo znížiť spoliehanie sa na širokospektrálne antibiotiká a bojovať proti antimikrobiálnej rezistencii.

Závery

Stručne povedané, kríza antimikrobiálnej rezistencie si vyžaduje inovatívne stratégie na identifikáciu nových alebo prehodnotených terapií. Táto štúdia identifikovala pomocou genomických údajov a modelovania modabolickej sieteThyxnika špecifický esenciálny gén ako sľubný antimikrobiálny cieľ u žalúdočných patogénov.

Zbierka 914 žánrov poskytla cenné poznatky o metabolizme patogénov. Validačné experimenty potvrdili, že Lawsone, aThyxInhibítor selektívne inhiboval patogény špecifické pre žalúdok bez ovplyvnenia nežalúdočných izolátov.

Tento prístup zdôrazňuje potenciál cielených, miestne špecifických antimikrobiálnych terapií na riešenie problémov rezistencie.

Zdroje: