Ученые открыли секрет метаболизма грибка, вызывающего опасное заболевание

Штаммы Aspergillus fumigatus, инфицирующие человека, имеют значительно измененный метаболизм по сравнению с другими штаммами, обитающими в окружающей среде.

В то же время заражение этим грибком приводит к явному изменению микробиома легких человека. Исследователи из Института Лейбница по изучению натуральных продуктов и биологии инфекций (Leibniz-HKI) в Йене (Германия) пришли к такому выводу, проанализировав с помощью моделей машинного обучения геномные данные около 250 штаммов грибов и данные микробиома легких 40 пациентов.

Гриб Aspergillus fumigatus широко распространен в окружающей среде, где выполняет важные экологические функции. В то же время он является оппортунистическим патогеном человека. Это означает, что он может заражать людей с ослабленной иммунной системой и вызывать такие опасные для жизни заболевания, как аспергиллез. Лечение затруднено из-за ограниченного числа лекарств, доступных для лечения грибковых инфекций.

Однако, как выяснили исследователи из Leibniz-HKI, штаммы грибков, встречающиеся в окружающей среде, и клинические штаммы, полученные из образцов пациентов, существенно различаются. В предыдущем исследовании команда уже обнаружила, что генетическая информация около 250 штаммов Aspergillus fumigatus различного происхождения совпадает лишь примерно на 70%. Для сравнения, генетическая информация человека и свиньи идентична примерно на 95%.

В настоящем исследовании мы сосредоточились на том, какое влияние эти геномные различия оказывают на метаболизм грибов в условиях сложного микробиома легких, — говорит руководитель исследования Джанни Панагиоту (Gianni Panagiotou).

Он возглавляет отдел динамики микробиома в Leibniz-HKI и является профессором Университета Фридриха Шиллера в Йене (Германия).

Понимание того, что может определять рост грибков и, следовательно, выживание A. fumigatus в различных средах обитания, может способствовать разработке профилактических или терапевтических стратегий для контроля уровня патогенности грибков.

Исследовательская группа разработала компьютерные модели, предсказывающие метаболические реакции и продукты для 250 различных штаммов на основе геномных данных и современных знаний о метаболических путях.

При этом мы обнаружили, что клинические штаммы значительно отличаются от экологических, особенно в области синтеза аминокислот, — говорит Мохаммад Мирхаккак, один из двух ведущих авторов работы.

Затем Мирхаккак и его соавтор Сюцян Чен использовали разработанную ими модель для изучения образцов 40 пациентов с муковисцидозом до и после подтвержденной инфекции Aspergillus fumigatus. Используя метагеномные данные образцов, они смогли расшифровать состав микробиома легких до и после инфицирования. Другими словами, они определили микроорганизмы, обитающие в легких каждого пациента.

Мы использовали эти данные для создания нашей модели и обнаружили, что Aspergillus fumigatus, по-видимому, формирует микробиом легких в своих интересах, — поясняет Чен.

Даже когда исследователи смоделировали так называемые нокауты — штаммы грибов, которые нежизнеспособны сами по себе из-за отключения определенных метаболических путей, — они выжили благодаря помощи микробиома легких. По крайней мере, в компьютерной симуляции другие микроорганизмы брали на себя производство жизненно важных метаболитов.

Наши результаты показывают, что при разработке новых лекарств необходимо помнить, с одной стороны, об огромной вариабельности метаболизма Aspergillus fumigatus, а с другой — о необходимости учитывать весь микробиом, — заключает Панагиоту.

07.08.2023