Nowe odkrycia dotyczące gąbek ze „strefy mroku” i ich mikrobiomu
Organizmy żywe są bogatym źródłem składników naturalnych o dobroczynnych właściwościach dla ludzi. Produkty farmaceutyczne, nutraceutyki i produkty do pielęgnacji skóry – to tylko przykłady produktów, w których używa się składników naturalnych, by ulepszyć ich działanie. W ramach projektu COSMos, realizowanego przy wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie” (MSCA), wykorzystano zaawansowane technologicznie podejścia genomiczne, by stworzyć unikalny zbiór danych i wykazać potencjał naturalnych produktów pochodzących ze słabo zbadanych gąbek z raf mezofotycznych i żyjących w nich drobnoustrojów.
Pogłębione badania ekosystemów mezofotycznych
Jak mówi Michelle Schorn, laureatka indywidualnego stypendium MSCA pracująca w laboratorium, którym kieruje Detmer Sipkema na Uniwersytecie w Wageningen, „gąbki charakteryzują się niesamowitą różnorodnością chemiczną i bogatym mikrobiomem (czyli mikroorganizmami, które w nich żyją), co sprawia, że dostarczają najwięcej nowatorskich składników naturalnych spośród wszystkich morskich bezkręgowców”. Gąbki zbierają przede wszystkim płetwonurkowie w płytkich wodach. 30–150 metrów pod powierzchnią wody znajduje się strefa mezofotyczna, czyli dosłownie „strefa średniego światła”, która jest trudno dostępna i w dużej mierze niezbadana. Adriaan Schrier z Substation Curaçao zaproponował dołączenie do ekspedycji badawczej, w ramach której pobrano około 60 cennych próbek gąbek mezofotycznych.
Odtwarzanie genomów na podstawie metagenomu i klastry genów biosyntetycznych
Schorn przeprowadziła prace z wykorzystaniem sekwencjonowania metagenomu, metody analizy genomicznej, która umożliwia badanie próbek pobranych bezpośrednio ze środowiska i zbiorczą analizę genomów organizmów żyjących w danej społeczności poprzez odtworzenie genomów na podstawie metagenomu (ang. metagenome assembled genomes, MAGs). Badaczka wykorzystała sekwencjonowanie metagenomiczne, aby móc skupić się na biosyntetycznych klastrach genów – fizycznie zgrupowanych zbiorach genów kodujących enzymy, które współpracują ze sobą, tworząc cząsteczki lub struktury chemiczne – odpowiedzialnych za powstawanie większości naturalnych produktów. „Mniej niż 1 % badanych klastrów genów biosyntetycznych pokrywało się z dotąd odkrytymi, co podkreśla unikalność naszego zbioru danych”, komentuje Schorn. Jak dodaje Sipkema: „To doprawdy niesamowite, że prawie wszystkie gatunki gąbek żyjące na głębokości 150 metrów znacząco różnią się od tych, które można znaleźć w płytkich wodach”. W ramach projektu COSMos przeanalizowano metagenomy pięciu gąbek mezofotycznych, ich symbionty mikrobiologiczne oraz ich potencjał biosyntezy produktów naturalnych. Po zakończeniu projektu zsekwencjonowano geny kolejnych trzynastu gąbek. Na podstawie pierwszych pięciu metagenomów odtworzono 435 genomów odpowiadających 435 genomom pochodzącym z niehodowlanych mikroorganizmów. Dzięki bezprecedensowym pracom uczonych z projektu COSMos społeczność naukowa zobaczy potencjał genomowy gąbek mezofotycznych w innym świetle. Oprócz danych genomowych, które zostaną upublicznione, zidentyfikowano tysiące klastrów genów biosyntetycznych.
Ekspresja heterologiczna – od genomów do produkcji cząsteczek
„Po raz pierwszy mieliśmy okazję przyjrzeć się mikrobiomom słabo zbadanych gąbek mezofotycznych i odkryć nowe typy klastrów genów biosyntetycznych. Łącząc geny z ich produktami molekularnymi, zaczynamy rozszyfrowywać język chemiczny mikroorganizmów żyjących w gąbkach”, dodaje Schorn. Schorn koncentruje się obecnie na ekspresji heterologicznej znanych i nowo zidentyfikowanych klastrów genów biosyntetycznych. Rzadko udaje się wywołać ekspresję heterologiczną u niehodowlanych bakterii. Sukces w tej dziedzinie pozwoliłby na zakończenie masowych połowów zwierząt i umożliwiłby zrównoważoną produkcję składników naturalnych na dużą skalę. „Odkrycie związku, który miałby zastosowanie terapeutyczne, mogłoby przełożyć się na wzmożenie ochrony niedostatecznie zbadanych obszarów oceanu, takich jak strefa mezofotyczna”, dodaje Schorn. Schorn i Sipkema przesuwają granice badań i zastosowań morskich produktów naturalnych, ujawniając potencjał genomiczny kryjący się w enigmatycznych gąbkach mezofotycznych.
Słowa kluczowe
COSMos, gąbka, mezofotyczne, klastry genów biosyntetycznych, metagenom, ekspresja heterologiczna, MAGs, odtwarzanie genomów na podstawie metagenomu, mikrobiom
