Podwodna apteka – w poszukiwaniu pożytecznych mikroorganizmów morskich
Nasze relacje z pożytecznymi mikroorganizmami wokół nas są częścią naszej ewolucji – przykładem jest pierwsza fermentacja około 7000 r. p.n.e. bakterie wiążące azot, które odkryto pod koniec XIX wieku, oraz odkrycie penicyliny na początku XX wieku. Choroby zakaźne nadal stanowią zagrożenie dla zdrowia ludzkiego, akwakultury i rolnictwa, natomiast oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe zmniejsza skuteczność wielu istniejących terapii antybiotykowych. Jednocześnie rolnicy i hodowcy ryb znajdują muszą zmniejszyć zależność od konwencjonalnych antybiotyków i pestycydów chemicznych. Finansowany przez UE projekt MARBLES(odnośnik otworzy się w nowym oknie) powstał w celu sprostania tym globalnym wyzwaniom poprzez identyfikację naturalnych rozwiązań mikrobiologicznych pochodzących ze środowiska morskiego, które mogłyby pomóc w zapobieganiu chorobom, poprawie zdrowia upraw i ryb oraz potencjalnie przyczynić się do przyszłych zastosowań w opiece zdrowotnej. Mariana Avalos Garcia(odnośnik otworzy się w nowym oknie), kierowniczka projektu MARBLES pracująca w Instytucie Biologii Morskiej i Morskich Ekosystemów(odnośnik otworzy się w nowym oknie) przy Uniwersytecie w Leiden w Holandii, wyjaśnia, że naukowcy zbadali dotychczas jedynie niewielką część światowej różnorodności mikroorganizmów. „Środowiska morskie są szczególnie obiecujące, ponieważ organizmy te wykształciły wyjątkowe sposoby przetrwania w warunkach ostrej konkurencji, chorób i stresu środowiskowego. Wytwarzają one często nowe związki, które chronią je i nie przypominają niczego, co można znaleźć na lądzie”, zauważa Garcia. W związku z tym zespół projektu MARBLES postanowił wykorzystać tę w dużej mierze niewykorzystaną różnorodność biologiczną mórz jako źródło nowych związków zwalczających choroby oraz pożytecznych mikroorganizmów. Zespół skupił się na gąbkach morskich, szczególnie interesujących jako siedlisko niezwykle zróżnicowanych społeczności mikroorganizmów znanych z wytwarzania wielu produktów naturalnych. Wybrano mikroglony i ryby ze względu na ich bezpośrednie znaczenie dla akwakultury i zrównoważonej produkcji żywności. Gilles van Wezel(odnośnik otworzy się w nowym oknie), koordynator projektu MARBLES i profesor w Katedrze Biotechnologii Molekularnej(odnośnik otworzy się w nowym oknie) na Uniwersytecie w Leiden, wraz ze swoim zespołem również pragnęli znaleźć rozwiązania w zakresie zwalczania chorób w akwakulturze i rolnictwie. „Tradycyjnie zwalczanie chorób opierało się w dużej mierze na antybiotykach, pestycydach chemicznych i innych syntetycznych środkach. Chociaż często są one skuteczne, takie podejścia mogą przyczyniać się do rozwoju oporności na antybiotyki, zanieczyszczenia środowiska i niszczenia organizmów niebędących przedmiotem zwalczania”, wyjaśnia.
Przekonanie mikroorganizmów, aby na lądzie reagowały na testy tak samo jak pod wodą
To trudne zadanie. Wiele mikroorganizmów posiada instrukcje genetyczne niezbędne do wytwarzania potencjalnie użytecznych związków, ale w normalnych warunkach laboratoryjnych instrukcje te pozostają nieaktywne. Uczestnicy projektu MARBLES poszukiwali naturalnych sygnałów chemicznych wytwarzanych przez organizmy morskie i ich mikrobiologicznych partnerów, które nakazują tym mikroorganizmom ponowne uruchomienie tych ukrytych szlaków metabolicznych. Sygnały te nazywane są „elicitorami”. „Prosta analogia jest taka, że mikroorganizmy mają już bibliotekę pełną książek, ale większość z pozycji jest zamknięta na klucz. Odkrycie elicitora przypomina znalezienie klucza otwierającego nieprzeczytane dotąd książki, pozwalając naukowcom odkrywać użyteczne cząsteczki, które w przeciwnym razie pozostałyby ukryte”, mówi Garcia. W projekcie połączono ekologię, genomikę, mikrobiologię, bioinformatykę i chemię produktów naturalnych, aby zrozumieć nie tylko, jakie mikroorganizmy są obecne, ale także w jaki sposób oddziałują one ze sobą i jakie cząsteczki wytwarzają. To podejście na poziomie systemowym pomogło badaczom zidentyfikować obiecujące związki i pożyteczne społeczności mikroorganizmów skuteczniej niż tradycyjne metody przesiewowe. Poprzez hodowlę mikroorganizmów i wytwarzanie związków w procesie fermentacji, zamiast pozyskiwania dużych ilości dzikich organizmów morskich, takich jak gąbki i ryby, zespół MARBLES dążył do zminimalizowania presji na naturalne ekosystemy. Van Wezel tłumaczy: „Różnorodność biologiczna ma ogromny potencjał w zakresie tworzenia nowych leków. Uczestnicy projektu MARBLES postanowili poszukać związków o potencjale w sposób, który pozwala zachować tę samą różnorodność biologiczną, z której czerpiemy. Polega to na tym, że nie wyławia się więc gąbek z oceanu, lecz odnajduje się mikroorganizmy i bakterie w nich występujące, pozyskuje się je, pozostawiając gąbki, by mogły dalej rosnąć”. Projekt wpisywał się także w międzynarodowe ramy regulujące dostęp do morskich zasobów genetycznych i podział korzyści z nich wynikających oraz promował zrównoważone wykorzystanie morskiej różnorodności biologicznej.
Poszukiwanie morskich związków mikrobiologicznych o potencjale leczniczym
Do czasu zakończenia projektu zespół przeanalizował ponad 1200 szczepów mikroorganizmów, przygotował ponad 8000 ekstraktów i zbadał je w ramach ponad 160 000 testów biologicznych pod kątem działania przeciwko różnym patogenom występującym w akwakulturze i zagrażającym zdrowiu ludzkiemu. W projekcie MARBLES wykorzystano nowo opracowane narzędzia komputerowe do zidentyfikowania najbardziej obiecujących ekstraktów oraz nowych związków o silnym i selektywnym działaniu przeciwko określonym szczepom patogenów. „W przypadku kilku z nich rozpoczęliśmy proces zwiększania skali produkcji, aby ustalić, czy można je wytwarzać w sposób zrównoważony na potrzeby dalszych testów biologicznych”, zauważa Garcia, dodając, że zarówno dotacja unijna, jak i kierownictwo van Wezela sprawiły, że nie tylko osiągnięto cele projektu, ale także droga do tego celu dostarczyła naukowcom cennych doświadczeń. „Nie mogliśmy liczyć na lepsze porady i nadzór”, zauważa Garcia.
