Стивен Шмитт и его коллеги из группы профессора ETH Свена Панке из Департамента науки и инженерии биосистем в ETH Zurich в Базеле модернизировали и уменьшили метод Флеминга, сделав его пригодным для высокопроизводительного скрининга микроорганизмов и веществ, которые они производят. «Хотя в настоящее время требуется до года, чтобы протестировать около 10 000 производителей веществ с использованием традиционных методов, мы можем изучить миллионы вариантов всего за несколько дней», – говорит Шмитт, который разработал метод в рамках своей докторской диссертации в ETH.
Ученые ETH вместе с голландскими и немецкими коллегами успешно идентифицировали ряд новых кандидатов в антибиотики с помощью новой технологии. На следующем этапе ученые выяснят, подходят ли некоторые из этих молекул для медицинского применения.
«Пузырьковый чай» в поисках активных веществ
Александр Флеминг использовал чашку для культивирования клеток диаметром десять сантиметров, но в новой технике, называемой наноФлеминг, используются крошечные шарики геля диаметром всего полмиллиметра, что напоминает пузырьковый чай или имитацию икры молекулярной гастрономии.
Внутри этих шариков ученые могут тестировать новые вещества на антибиотическую активность. Для этого они встраивают множество сенсорных бактерий вместе с одним микроорганизмом, который производит вещество с потенциальным антибиотическим действием.
Если произведенное вещество обладает антибиотическим действием, сенсорные бактерии погибают. Если это не действует, они размножаются и образуют кластеры клеток. После маркировки сенсорных бактерий флуоресцентным красителем ученые могут использовать высокопроизводительный метод сортировки для выделения слабо флуоресцентных гелевых шариков. Они содержат микроорганизм, продуцирующий активный антибиотик.
Затем ученые могут приступить к идентификации этого вещества.
Более эффективные антибиотики
В своей последней статье, которую ученые недавно опубликовали в журнале Nature Chemical Biology, они протестировали набор из 6000 пептидов (коротких белков) на антибиотический эффект. Эти молекулы похожи на группу известных пептидных антибиотиков, называемых лантибиотиками.
Ученые хотели выяснить, можно ли повысить эффективность лантибиотиков или обойти известные механизмы устойчивости, разумным образом изменяя их молекулярную структуру.
Работая с коллегами из Нидерландов и Германии, они начали с известных лантибиотиков и их структурных и функциональных субъединиц. Используя биотехнологический подход, они объединили эти разные субъединицы всеми возможными способами и создали коллекцию микроорганизмов, которые производят эти рекомбинантные пептиды.
Тестируя их методом нанофлеминга, команда обнаружила 11 пептидов, которые либо эффективны при меньших дозах, чем обычные лантибиотики, либо способны обходить известные механизмы устойчивости.
Поиск веществ в мире природы
«Этот метод также отлично подходит для исследования, производят ли микроорганизмы, обнаруженные в природе, еще не обнаруженные активные вещества», – говорит Шмитт.
Он объяснил, что микробы, пытающиеся уничтожить своих конкурентов с помощью биохимических соединений, являются естественным и широко распространенным механизмом. Следовательно, возможно, что новые классы антибиотиков можно будет найти в таких местах обитания, как образцы почвы или микробиом, обнаруженный на коже человека и в слюне, область, которая еще не была изучена подробно. Новая технология позволит очень хорошо анализировать микроорганизмы из этих мест обитания. "И поскольку теперь мы можем протестировать гораздо больше продуцентов активных веществ за гораздо более короткое время, чем это было возможно с помощью предыдущих методов, шансы обнаружить активные вещества из редких микроорганизмов намного выше."
Этот метод также может быть адаптирован для проверки дополнительных критериев уже во время первого скрининга, таких как стабильность антибиотических веществ в кровотоке человека или предотвращение механизмов резистентности. Кроме того, можно было бы оснастить гелевые шарики различными видами сенсорных бактерий – теми, которые действующее вещество абсолютно должно убивать, например, патогены, и другими, от которых оно определенно не должно навредить, например, полезными бактериями, обнаруженными на здоровой коже. или в ротовой полости.