Ученые из Иллинойса придумали, как выуживать гены из микроскопических количеств ДНК. Представьте: нужно собрать двадцать тысяч образцов, чтобы их общий вес потянул на одну сахарную песчинку. Вот с такими крошечными объемами они теперь умеют работать. В своей новой работе исследователи применили этот метод, чтобы отыскать неизвестные раньше гены устойчивости к антибиотикам. Они искали их в бактериальной ДНК из воды в Чикагском аквариуме Шедда, а также в образцах человеческих фекалий.

Теренс Крофтс, доцент кафедры зоотехники, объясняет, почему это так важно:

Устойчивость бактерий к лекарствам растет, и нам позарез нужно понимать все хитрости, которыми микробы защищаются от антибиотиков. Если мы составим полную карту таких генов в окружающей среде, врачи и ученые смогут заранее знать, с чем столкнутся в больницах, и разрабатывать более эффективные препараты.

Главный инструмент тут — метод под названием METa assembly. Он улучшает старую добрую технологию функциональных метагеномных библиотек.

Раньше ученые брали образцы почвы или кала, чтобы искать новые гены, не выращивая бактерии в пробирке и не расшифровывая их ДНК целиком. Но для этого требовалось много генетического материала.

Новый метод позволяет обойтись в сто раз меньшим количеством. Это настоящая находка для тех мест, где микробов мало или нельзя взять большую пробу.

Раньше мы просто выделяли ДНК бактерий и читали ее последовательность, — рассказывает Крофтс. — Но в этих образцах столько нового, что мы давно уже расшифровываем быстрее, чем понимаем смысл найденного. Мы видим кучу генов, а что они делают — загадка. Функциональные скрининги как раз и помогают решить эту проблему.

Вместо того чтобы читать ДНК как книгу, ученые разрезают ее специальным ферментом на кусочки размером с один ген. Эти кусочки они подсовывают обычной кишечной палочке в лаборатории. Палочка — организм покладистый, растет легко. Она встраивает чужой ген в свою ДНК и начинает вести себя соответственно.

Подробности опубликованы в издании mSystems.

С генами устойчивости работать особенно удобно, потому что за них чаще всего отвечает один-единственный ген. И проверить, работает он или нет, проще простого: выжила бактерия в антибиотике или нет.

Представьте чашку Петри, где живет десять миллионов кишечных палочек, — объясняет Крофтс. — У каждой внутри — уникальный случайный кусочек ДНК из окружающей среды. Если мы добавим в чашку лекарство и выживут только десять колоний, значит, именно им достался ген защиты. Дальше дело техники: забрать этих счастливчиков и прочитать, какой именно генетический «трофей» им достался.

Даже если компьютер выдаст, что это ген неизвестного белка, ученые уже твердо знают: этот белок связан с защитой от антибиотика. Можно сразу брать его в разработку и изучать подробно.

Свой метод Крофтс и его команда испытали на воде из большого аквариума. Там микробов гораздо меньше, чем, скажем, в почве. Второй пробой стали фекалии человека — тут бактерий, наоборот, пруд пруди, но образец взяли совсем крошечный, буквально мазок.

В воде ДНК обычно мало, из нее трудно сделать библиотеку. Но мы доказали, что это реально. А то, что получилось с мазком кала, вообще открывает дорогу для использования метода прямо в клиниках, — говорит Крофтс.

Но ученые не просто построили библиотеки генов, они сделали открытия. Например, в последовательностях ДНК из аквариума, устойчивых к тетрациклину, нашли новые типы насосов. Бактерии используют эти белковые каналы, чтобы выкачивать ядовитое вещество обратно из клетки.

А некоторые колонии из человеческого образца не боялись стрептотрицинов — группы антибиотиков, которые испытывали еще в сороковых годах. Тогда их забраковали из-за токсичности для почек. Но сегодня, когда старые лекарства перестают работать, ученые снова на них засматриваются, пытаясь создать менее опасные формы.

Мы обнаружили целое новое семейство белков, которые дают защиту от стрептотрицина, — рассказывает Крофтс. — Этот антибиотик снова может стать полезным в клинике, но мы должны заранее знать, с какой защитой бактерий столкнемся. Может быть, не стоит просто уменьшать токсичность старых версий, а лучше создать новое поколение этого лекарства, которое обойдет природные механизмы защиты.

Дальше Крофтс планирует применить свой метод в сельском хозяйстве — исследовать почву и животных от носа до хвоста.

Ведь устойчивость к антибиотикам часто зарождается именно на фермах.

Мы производим тонны антибиотиков, выделяя их из почвенных бактерий. Для самих бактерий это оружие в войне друг с другом. Поэтому в почве невероятное разнообразие генов защиты, — поясняет ученый. — А теперь представьте: сельское хозяйство сводит животных вплотную с этим резервуаром генов в почве. Добавьте сюда огромные дозы антибиотиков, которые дают скоту, и получите идеальный инкубатор для развития супербактерий, которые потом могут перекинуться на человека.

Если говорить совсем просто, это похоже на работу геолога-разведчика, который ищет не нефть, а будущие проблемы и способы их решения.

• Раньше мы совались в темную комнату с фонариком и пытались угадать, что там лежит. Теперь у нас есть отмычка к любому ящику. METa assembly позволяет не гадать о функциях тысяч найденных генов, а сразу проверять их «в деле». Это колоссальная экономия времени и сил. Мы перестаем быть просто коллекционерами последовательностей ДНК и становимся настоящими исследователями, понимающими, как работают бактерии.
• Представьте, что бактерии, вызывающие пневмонию, научились защищаться от последнего оставшегося лекарства. Если ученые с помощью такого метода уже нашли этот ген защиты в фекалиях здорового человека или в воде из пруда, они будут знать, чего ждать. Больницы смогут быстрее определять, с каким штаммом имеют дело. А фармацевты получат мишени для создания новых антибиотиков, которые будут бить точно в цель, обходя встроенную защиту. В конечном счете это оружие в гонке вооружений между человеком и бактериями, которая не прекращается ни на день.

Главный восторг от метода — его чувствительность. Но здесь же кроется и потенциальная уязвимость. Метод ищет гены устойчивости, подсовывая их кишечной палочке. Это идеальный лабораторный «тест-драйв». Но в реальном мире, в сложном сообществе бактерий, ген может вести себя иначе. То, что работает в изолированной палочке, может не включиться или работать слабее в другой бактерии. Кроме того, метод ловит только те гены, которые легко встраиваются и работают у палочки. А если для защиты нужен целый ансамбль генов или особые условия среды? Тогда мы их просто не увидим. То есть метод отлично ищет иголки в стоге сена, но иголки должны быть определенной формы, и мы рискуем пропустить те, что выглядят иначе.

Ранее ученые раскрыли эволюцию кишечной палочки.