BGC jsou sady genů kódující biosyntézu specializovaných metabolitů (chemických látek, které organismy produkují za účelem získání jisté výhody v prostředí) ve studovaných organismech. Zkoumáním BGCs lze identifikovat ekologické a evoluční faktory, které formují biosyntetický potenciál mikrobiálních komunit. Identifikaci lze využít pro objevení zcela nových bioaktivních sloučenin, které hrají významné role v biologických procesech a mohou být zajímavé pro farmaceutický a biotechnologický průmysl. Zjednodušeně řečeno, takový výzkum vede k objevu nových léků či poznatků o přirozené funkci těchto látek v prostředí kolem nás.

„Protože BGC Atlas také pracuje s metadaty, lze zkoumat environmentální distribuci BGC po celém světě; můžeme tedy studovat, zda jsou některé sloučeniny produkovány všude nebo jsou specifické pro určité ekosystémy. To nám pomůže pochopit ekologickou roli specifických metabolitů,“ vysvětluje Luděk Sehnal, jeden ze spoluautorů studie z centra RECETOX.

Výzkumníci také ověřili funkčnost tohoto nástroje analýzou více než 35 000 metagenomických datových sad, což vedlo k identifikaci 1,8 milionu BGC. „Analýza ukázala, že ribozomálně syntetizované a posttranslačně modifikované peptidy jsou nejhojnější třídou sloučenin v mikrobiálních metagenomech vázaných na hosta, kterým může být například zvíře nebo člověk, zatímco terpeny jsou nejhojnější třídou sloučenin v environmentálních vzorcích, konkrétně v suchozemských ekosystémech. To poukazuje na specifičnost určitých metabolitů v určitých prostředích. Environmentální specifičnost metabolitů je navíc další otázka, na kterou lze v budoucnu odpovědět pomocí BGC Atlas. Prakticky to může znamenat třeba to, že zjistíme, že lidé, kteří jsou odolnější vůči infekcím, mají zároveň v nosním či orálním mikrobiomu bakterii produkující super účinné antibiotikum. Na základě takového zjištění pak můžeme hledat přirozené cesty, jak pomoci těm méně odolným.“ říká Sehnal.

BGC Atlas bude důležitý pro zkoumání mnoha jevů, jako je ekologická role genomem kódovaných bioaktivních látek, evoluce těchto biosyntetických drah, environmentální distribuce specifických sloučenin a objevování nových molekul zaměřených na specifické problémy (např. rezistentní mikroby, neurodegenerativní onemocnění, rakovina atd.).

„Pokud pochopíme evoluci specifických biosyntetických drah odpovědných za produkci některých zajímavých molekul v kontextu lidského zdraví, můžeme tyto informace využít k inženýrství drah pro produkci nejen účinnějších sloučenin s lepšími výtěžky než původní dráha, ale také látek, které jsou pro konkrétní typ problému specifičtější a současně pro člověka méně toxické, než původní molekula. V praktickém smyslu to může vést k účinnějším lékům nebo jiným biotechnologicky využitelným produktům,“ popisuje Sehnal.

Je také důležité zvážit, proč potřebujeme provádět tento výzkum právě teď. „Obrovské množství veřejně dostupných dat jen podtrhuje důležitost jejich těžby. K těžbě potřebujeme nástroje a BGC Atlas je jeden z nich. Tento nástroj umožní efektivní zkoumání nově sekvenovaných metagenomů nebo metagenomů, které jsou uloženy ve veřejných databázích. Použití BGC Atlasu může také ulehčit proces objevování nových, pro nás zajímavých sloučenin, včetně antibiotik. Kvůli rozšířenému vývoji antimikrobiální rezistence po celém světě v současné době ztrácíme ochranu proti infekcím a jakékoli nástroje, které proti nim pomáhají bojovat, jsou velmi vítány,“ dodává Sehnal.

Většinu práce na tomto výzkumu provedl Caner Bagci, postdoktorand ve skupině prof. Ziemert, za asistence bakalářského studenta Casimira Ladanyiho. Nástroj byl však vyvinut za účasti dalších výzkumníků z celého světa, konkrétně Matina Nuhamunady, Kaie Blina a Tilmanna Webera z Technické univerzity v Dánsku, Hemanta Goyata a Shrikanta Mantriho z Národního ústavu pro biotechnologii v potravinářství (NABI) v Indii, Azata Tagirdzhanova a Alexeje Gureviche z Helmholtzova institutu pro farmaceutický výzkum Sárska (HIPS) v Německu, Christiana von Meringa z Univerzity v Curychu ve Švýcarsku, Daniela Udwaryho z DOE Joint Genome Institute v USA a Marnixe H Medemy z Wageningen University v Nizozemsku.

Účast Luďka Sehnala na tomto článku byla financována Evropskou unií, Horizon Europe — Research and Innovation Framework Programme [Projekt NAfrAM 101064285]. Hlavní financování BGC Atlas však poskytlo Spolkové ministerstvo pro výzkum a vzdělávání (BMBF) [161L0284C] a Německé centrum pro výzkum infekcí (DZIF) [TTU09.716], které podporuje výzkum prof. Nadine Ziemert, vedoucí projektu a hlavní řešitelky. Vzhledem k tomu, že článek byl výsledkem spolupráce, různí lidé z různých institucí byli podporováni ze svých specifických zdrojů. Konkrétně, Novo Nordisk Foundation [NNF20CC0035580 pro K.B. a T.W., NNF20SA0035588 pro M.N.]; Saarland University (projekt NextAID na podporu pozice A.T.); National Agri-Food Biotechnology Institute (pro S.M.); Práce prováděná D.U. a S.K. v U.S. Department of Energy Joint Genome Institute (https://ror.org/04xm1d337), zařízení uživatelského zařízení DOE Office of Science, je podporována Office of Science U.S. Department of Energy provozovaným na základě smlouvy č. DE-AC02-05CH11231.

Více informací: https://doi.org/10.1093/nar/gkae953