يمكن أن تؤدي إعادة بناء الجينومات البكتيرية القديمة إلى إحياء جزيئات لم تكن معروفة من قبل – مما يوفر مصدرًا محتملاً لمضادات حيوية جديدة

الكائنات الدقيقة – وخاصة البكتيريا – كيميائيون ماهرون يمكنهم إنتاج مجموعة متنوعة رائعة من المركبات الكيميائية المعروفة باسم المنتجات الطبيعية. توفر هذه المستقلبات للميكروبات مزايا تطورية رئيسية ، مثل السماح لها بالتفاعل مع بعضها البعض أو مع بيئتها والمساعدة في الدفاع ضد التهديدات المختلفة. نظرًا للوظائف المتنوعة التي تتمتع بها المنتجات الطبيعية البكتيرية ، فقد تم استخدام العديد منها كعلاجات طبية مثل المضادات الحيوية والأدوية المضادة للسرطان.

تمثل الأنواع الميكروبية التي تعيش اليوم جزءًا صغيرًا فقط من التنوع الهائل للميكروبات التي سكنت الأرض على مدار الثلاثة مليارات سنة الماضية. يوفر استكشاف هذا الماضي الميكروبي فرصًا مثيرة لاستعادة بعض الكيمياء المفقودة.

إن الدراسة المباشرة لهذه المستقلبات في العينات الأثرية تكاد تكون مستحيلة بسبب ضعف حفظها بمرور الوقت. ومع ذلك ، فإن إعادة بنائها باستخدام المخططات الجينية للميكروبات الميتة منذ زمن طويل يمكن أن توفر طريقًا إلى الأمام.

نحن فريق من علماء الأنثروبولوجيا وعلماء الآثار والكيمياء الحيوية الذين يدرسون الميكروبات القديمة. من خلال توليد مركبات كيميائية غير معروفة سابقًا من الجينومات المعاد بناؤها للبكتيريا القديمة ، يقدم بحثنا المنشور حديثًا دليلًا على مفهوم الاستخدام المحتمل للميكروبات الأحفورية كمصدر للأدوية الجديدة.

إعادة بناء الجينوم القديم

يتم ترميز الآلية الخلوية التي تنتج المنتجات البكتيرية الطبيعية في الجينات التي تكون عادة على مقربة من بعضها البعض ، وتشكل ما يسمى مجموعات الجينات التخليقية الحيوية. يصعب اكتشاف مثل هذه الجينات وإعادة بنائها من الحمض النووي القديم لأن المواد الجينية القديمة جدًا تتحلل بمرور الوقت ، وتتفتت إلى آلاف أو حتى ملايين القطع. والنتيجة النهائية هي العديد من شظايا الحمض النووي الصغيرة التي يقل طولها عن 50 نيوكليوتيدًا مختلطة معًا مثل أحجية الصور المقطعة.

قمنا بترتيب المليارات من شظايا الحمض النووي القديمة هذه ، ثم قمنا بتحسين عملية معلوماتية حيوية تسمى تجميع de novo لترتيب شظايا الحمض النووي القديمة رقميًا في امتدادات تصل إلى 100000 نيوكليوتيد – وهو تحسن بمقدار 2000 ضعف. سمحت لنا هذه العملية بتحديد ليس فقط ماهية الجينات الموجودة ، ولكن أيضًا ترتيبها في الجينوم والطرق التي تختلف بها عن الجينات البكتيرية المعروفة اليوم – وهي معلومات أساسية للكشف عن تاريخها التطوري ووظيفتها.

سمحت لنا هذه الطريقة بإلقاء نظرة غير مسبوقة على جينومات الميكروبات التي تعيش منذ ما يصل إلى 100000 عام ، بما في ذلك الأنواع غير المعروفة الموجودة اليوم. تدفع النتائج التي توصلنا إليها أقدم جينومات ميكروبية أعيد بناؤها سابقًا بأكثر من 90 ألف عام.

في الجينومات الميكروبية التي أعيد بناؤها من الحمض النووي المستخرج من الجير القديم للأسنان ، وجدنا مجموعة جينية تشترك فيها نسبة عالية من إنسان نياندرتال والإنسان الحديث تشريحًا الذين عاشوا خلال العصر الحجري القديم الأوسط والعليا الذي استمر من 300000 إلى 12000 سنة مضت. حملت هذه الكتلة السمات المميزة الجزيئية للحمض النووي القديم جدًا وتنتمي إلى الجنس البكتيري كلوروبيوم، وهي مجموعة من بكتيريا الكبريت الخضراء القادرة على التمثيل الضوئي.

أدخلنا نسخة اصطناعية من هذا التجمع الجيني في بكتيريا “حديثة” تسمى بروتينات Pseudomona حتى تتمكن من إنتاج المركبات الكيميائية المشفرة في الجينات القديمة. باستخدام هذه الطريقة ، تمكنا من عزل مركبين غير معروفين سابقًا أطلقنا عليهما paleofuran A و B وتحديد تركيبهما الكيميائي. أكدت إعادة تركيب هذه الجزيئات في المختبر من نقطة الصفر بنيتها وسمحت لنا بإنتاج كميات أكبر لمزيد من التحليل.

من خلال إعادة بناء هذه المركبات القديمة ، توضح النتائج التي توصلنا إليها كيف يمكن للعينات الأثرية أن تعمل كمصادر جديدة للمنتجات الطبيعية.

تعدين المنتجات الطبيعية القديمة

تتطور الميكروبات باستمرار وتتكيف مع بيئتها المحيطة. نظرًا لأن البيئات التي تعيش فيها اليوم تختلف عن تلك التي تعيش فيها أسلافها ، فمن المحتمل أن تنتج الميكروبات اليوم منتجات طبيعية مختلفة عن تلك التي تعيشها الميكروبات القديمة منذ عشرات الآلاف من السنين.

في الآونة الأخيرة منذ 25000 إلى 10000 عام ، خضعت الأرض لتحول مناخي كبير حيث انتقلت من عصر البليستوسين الأكثر برودة وتقلبًا إلى عصر الهولوسين الأكثر دفئًا واعتدالًا. تغيرت أنماط الحياة البشرية أيضًا بشكل كبير خلال هذا التحول حيث بدأ الناس يعيشون خارج الكهوف وجربوا بشكل متزايد إنتاج الغذاء. أدت هذه التغييرات إلى اتصالهم بميكروبات مختلفة من خلال الزراعة وتربية الحيوانات وبيئاتهم المبنية الجديدة. قد تؤدي دراسة بكتيريا عصر البليستوسين إلى الحصول على نظرة ثاقبة للأنواع البكتيرية والجينات التخليقية الحيوية التي لم تعد مرتبطة بالبشر اليوم ، وربما حتى الميكروبات التي انقرضت.

في حين أن كمية البيانات التي جمعها العلماء عن الكائنات الحية قد زادت بشكل كبير خلال العقود القليلة الماضية ، إلا أن عدد المضادات الحيوية الجديدة ظل ثابتًا. هذا يمثل مشكلة بشكل خاص عندما تكون البكتيريا قادرة على التهرب من علاجات المضادات الحيوية الحالية بشكل أسرع مما يمكن للباحثين تطوير علاجات جديدة.

من خلال إعادة بناء الجينومات الميكروبية من العينات الأثرية ، يمكن للعلماء الاستفادة من التنوع الخفي للمنتجات الطبيعية التي كانت ستضيع بمرور الوقت ، مما يزيد من عدد المصادر المحتملة التي يمكنهم من خلالها اكتشاف عقاقير جديدة.

توسيع نطاق الجزيئات القديمة

أظهرت دراستنا أنه من الممكن الوصول إلى المنتجات الطبيعية من الماضي. للاستفادة من التنوع الهائل للمركبات الكيميائية المشفرة في الحمض النووي القديم ، نحتاج الآن إلى تبسيط منهجيتنا لتكون أقل كثافة في العمل.

نقوم حاليًا بتحسين وأتمتة عمليتنا لتحديد جينات التخليق الحيوي في الحمض النووي القديم بسرعة وموثوقية أكبر. نقوم أيضًا بتنفيذ أنظمة معالجة السوائل الآلية لإكمال خطوات الماصات والزراعة البكتيرية التي تستغرق وقتًا طويلاً في أساليبنا. هدفنا هو توسيع نطاق العملية لنكون قادرين على ترجمة كمية هائلة من البيانات عن الميكروبات القديمة إلى اكتشاف عوامل علاجية جديدة.

على الرغم من أنه يمكننا إعادة إنشاء الجزيئات القديمة ، إلا أنه من الصعب فهم أدوارها البيولوجية والبيئية. نظرًا لأن البكتيريا التي أنتجت هذه المركبات في الأصل لم تعد موجودة ، فلا يمكننا زراعتها أو التلاعب بها جينيًا. ستحتاج المزيد من الدراسة إلى الاعتماد على بكتيريا مماثلة يمكن العثور عليها اليوم. ما إذا كانت وظائف هذه المركبات قد ظلت كما هي أم لا في الأقارب الحديثة للميكروبات القديمة ، فلا يزال يتعين اختبارها. على الرغم من أن الوظائف الأصلية لهذه المركبات للميكروبات القديمة قد تكون غير معروفة ، إلا أنها لا تزال لديها القدرة على إعادة استخدامها لعلاج الأمراض الحديثة.

في النهاية ، نهدف إلى إلقاء ضوء جديد على تطور الميكروبات ومحاربة أزمة المضادات الحيوية الحالية من خلال توفير محور زمني جديد لاكتشاف المضادات الحيوية.