La plupart des bactéries ne peuvent pas être cultivées dans le laboratoire – et c'est une mauvaise nouvelle pour la médecine. Beaucoup de nos antibiotiques de première ligne provenaient de microbes, mais à mesure que la résistance aux antibiotiques se propage et que les pipelines de médicament se sèchent, le sol sous nos pieds a un vaste réservoir caché de composés sauvages inexploités.
Maintenant, les chercheurs ont développé un moyen d'accéder à cette mine d'or microbienne. Leur approche, publiée dans Nature Biotechnology, contourne la nécessité de cultiver des bactéries en laboratoire en extrayant de très grands fragments d'ADN directement du sol pour reconstituer les génomes des microbes précédemment cachés, puis des mines de génomes résultant des molécules bioactives.
À partir d'un seul échantillon de forêt, l'équipe a généré des centaines de génomes bactériens complets jamais vus auparavant, ainsi que deux nouvelles pistes d'antibiotiques. Les résultats offrent un moyen évolutif de parcourir les bactéries inculvables pour les nouveaux médicaments et d'exposer la vaste frontière microbienne inexplorée qui façonne notre environnement.
Nous avons enfin la technologie pour voir le monde microbien qui était auparavant inaccessible aux humains. Et nous ne voyons pas seulement ces informations; Nous le transformons déjà en antibiotiques potentiellement utiles. Ce n'est que la pointe de la lance. «
Sean F. Brady, chef du laboratoire de petites molécules génétiquement codées à Rockefeller
Matière noire microbienne
Lors de la chasse aux bactéries, le sol est un choix évident. C'est le réservoir de bactéries le plus grand et le plus biodiversé sur la planète – une cuillère à café unique peut contenir des milliers d'espèces différentes. De nombreuses thérapies importantes, y compris la plupart de notre arsenal antibiotique, ont été découvertes dans la minuscule fraction des bactéries du sol qui peuvent être cultivées en laboratoire. Et le sol est sans terre.
Pourtant, nous en savons très peu sur les millions de microbes emballés dans la terre. Les scientifiques soupçonnent que ces bactéries cachées détiennent non seulement un réservoir inexploité de nouvelles thérapies, mais aussi des indices sur la façon dont les microbes façonnent le climat, l'agriculture et l'environnement plus vaste dans lequel nous vivons. « Partout dans le monde, il y a cet écosystème caché de microbes qui pourraient avoir des effets dramatiques sur nos vies », ajoute Brady. « Nous voulions enfin les voir. »
Avoir cet aperçu impliquait de tisser plusieurs approches. Premièrement, l'équipe a optimisé une méthode pour isoler les gros fragments d'ADN de haute qualité directement du sol. L'association à l'avance avec le séquençage des nanopore à lutte longue émergente a permis à Jan Burian, un associé postdoctoral au Brady Lab, de produire des étirements d'ADN continues qui étaient des dizaines de milliers de paires de bases longues 200 fois plus longues que toute technologie précédente existante. L'ADN du sol contient un grand nombre de bactéries différentes; Sans des séquences d'ADN aussi importantes avec lesquelles travailler, résolvant ce puzzle génétique complexe en génomes complets et contigus pour les bactéries disparates se sont révélées extrêmement difficiles.
« Il est plus facile d'assembler un génome entier à partir de plus gros morceaux d'ADN, plutôt que des millions d'extraits de minuscules qui étaient disponibles avant », explique Brady. « Et cela fait une différence spectaculaire dans votre confiance dans vos résultats. »
Les petites molécules uniques, comme les antibiotiques, que les bactéries produisent sont appelées « produits naturels ». Pour convertir les séquences nouvellement découvertes en molécules bioactives, l'équipe a appliqué une approche synthétique des produits naturels bioinformatiques (SYNBNP). Ils prédisaient bioinformatiquement les structures chimiques des produits naturels directement à partir des données du génome, puis les synthétisent chimiquement en laboratoire. Avec l'approche Synbnp, Brady et ses collègues ont réussi à transformer les plans génétiques des bactéries non cultivées en molécules réelles, y compris deux antibiotiques puissants.
Brady décrit la méthode, qui est évolutive et peut être adaptée à pratiquement n'importe quel espace métagénomique au-delà du sol, en tant que stratégie en trois étapes qui pourrait lancer une nouvelle ère de microbiologie: « isoler le grand ADN, le séquencer et le convertir par calcul en quelque chose d'utile. »
Deux nouveaux candidats à la drogue et compter
Appliquée à leur échantillon de sol forestier unique, l'approche de l'équipe a produit à ce jour des paires de térabase 2,5 térabase – l'exploration la plus profonde à longue lecture d'un seul échantillon de sol à ce jour. Leur analyse a révélé des centaines de génomes bactériens contigus complets, dont plus de 99% étaient entièrement nouveaux dans la science et ont identifié les membres de 16 branches majeures de l'arbre généalogique bactérien.
Les deux composés de plomb découverts pourraient se traduire par de puissants antibiotiques. L'une, appelée erutacidine, perturbe les membranes bactériennes à travers une interaction rare avec la cardiolipine lipidique et est efficace contre les bactéries plus difficiles résistantes au médicament. L'autre, la trigintamicine, agit sur un moteur non plié des protéines connu sous le nom de CLPX, une cible antibactérien rare.
Brady souligne que ces découvertes ne sont que le début. L'étude démontre que les génomes microbiens auparavant inaccessibles peuvent désormais être décodés et extraits pour les molécules bioactives à grande échelle sans cultiver les organismes. Le déverrouillage du potentiel génétique de la matière noire microbienne peut également fournir de nouvelles informations sur les réseaux microbiens cachés qui soutiennent les écosystèmes.
« Nous sommes principalement intéressés par les petites molécules en tant que thérapeutiques, mais il existe des applications au-delà de la médecine », explique Burian. « L'étude des bactéries cultivables a conduit à des avancées qui ont contribué à façonner le monde moderne et enfin de voir et d'accès à la majorité non cultivée conduiront une nouvelle génération de découvertes. »
