Более 60% всех лекарств, включая антибиотики и средства для лечения рака, получают из натуральных продуктов в виде небольших молекул, закодированных метаболическими генами. Эти молекулы часто образуют сложные химические структуры, сформированные миллиардами лет эволюции самых разных форм жизни, включая бактерии, растения и человека. Тем не менее, сотни тысяч отдельных генетических путей, которые делают возможными эти структуры и, таким образом, поддерживают жизнь, остаются в значительной степени неизученными, отчасти из-за пугающей сложности вариаций генетических и молекулярных взаимодействий между видами.

Тем не менее, ученые Йельского университета разработали новую технологию синтетической биологии, которая действует как своего рода универсальный транслятор, который может отслеживать ранее неисследованные гены и отдельные метаболические процессы в разных организмах, сообщают они в онлайн-выпуске журнала Cell от 1 апреля .

«Вы можете думать об этом как об универсальном генетическом языке, своего рода Розеттском камне, который может открыть скрытые гены и молекулы жизни», — сказал Фаррен Айзекс, доцент кафедры молекулярной, клеточной и биологии развития на факультете искусств и наук Йельского университета.

По его словам, одним из новых направлений для изучения является микробиом человека, где триллионы бактерий взаимодействуют со своим хозяином и оказывают глубокое влияние на здоровье человека. Генетические взаимодействия между микробиомом и клетками человека открывают большие перспективы в улучшении понимания болезней и разработке новых медицинских методов лечения. Однако изучено менее 1% всех потенциальных генетических путей, влияющих на эти взаимодействия между видами.

Изучение этих генных путей затруднено из-за невозможности выращивать микроорганизмы вне их естественной среды и в лабораторных условиях. И гены, кодирующие эти метаболиты, часто молчат, что делает невозможным открытие натуральных продуктов.

Чтобы изучить эти взаимодействия, лаборатории Айзекса и его соавтора Джейсона Кроуфорда, доцента кафедры химии и микробного патогенеза и директора Института биомолекулярного дизайна и открытий, использовали вычислительную биологию и синтез ДНК для создания единого «синтетического генетического материала». элемент» или SGE. SGE, созданный с помощью программного обеспечения для автоматизированного проектирования, разработанного командой, перепроектирует генетические пути, чтобы их можно было активировать в различных организмах-хозяевах, что позволяет исследователям определять их молекулярные функции.

«Мы перепроектировали последовательности генов и их промоутеров, которые контролируют их функции в различных организмах», — сказал Джеймин Патель, аспирант Йельского университета в лабораториях Кроуфорда и Айзекса и первый автор исследования.

Используя новый инструмент, исследователи смогли обнаружить, как один генетический путь микробиома человека кодирует ранее неизвестный класс метаболитов, которые они назвали тироцитабинами. Исследователи сообщают, что эти метаболиты ингибируют трансляционную активность и участвуют в десятках других путей, которые еще предстоит открыть.

«Связанные, но в настоящее время не охарактеризованные пути широко распространены в различных геномах, что позволяет предположить, что большая часть специализированного химического и биологического разнообразия нуклеотидов все еще ждет открытия», — сказал Кроуфорд.

Две лаборатории Йельского университета в настоящее время работают над расширением использования этого нового открытия, чтобы в конечном итоге изучить тысячи ранее неизвестных генетических путей, которые могут объяснить роль этих метаболитов в природе и дать возможные терапевтические преимущества.

«Это готовит почву для использования совершенно нового механизма открытия синтетической биологии для выявления множества новых натуральных продуктов», — сказал Айзекс. «Мы готовы провернуть это».