Mikroorganizmy nie tylko kolonizują organizm ssaków podczas infekcji. W dowolnym momencie na zdrowych ludziach i zwierzętach można znaleźć miliardy drobnoustrojów, które komunikują się ze sobą za pomocą sygnałów chemicznych i w ten sposób wpływają na ich zdrowie. W ramach dwóch badań naukowcy z Instytutu Badań Farmaceutycznych im. Helmholtza w Saarland (HIPS), Uniwersytetu w Saarland i Szpitala Uniwersyteckiego w Saarland przeprowadzili szczegółowe badania mikrobiomu, czyli ogółu wszystkich mikroorganizmów, u ludzi i zwierząt w ogrodach zoologicznych. Celem było określenie punktów wyjścia dla strategii leczenia i diagnozowania chorób.
Naukowcy opublikowali swoje wyniki w dwóch artykułach w czasopiśmie Nature Communications. W systemie HIPS znajduje się Centrum Badań nad Infekcjami im. Helmholtza (HZI) we współpracy z Uniwersytetem Saary.
Pomysł wykorzystania mikroorganizmów jako źródła nowych składników aktywnych nie jest nowy. Opracowano już wiele leków na bazie naturalnych produktów pochodzących z bakterii i grzybów. Konkurują one o dostępne zasoby w swoim naturalnym środowisku, takim jak gleba, i wykorzystują sygnały chemiczne, aby zyskać przewagę nad swoimi konkurentami mikrobiologicznymi. Nic więc dziwnego, że duża część antybiotyków dostępnych na rynku opiera się na naturalnych produktach pochodzących z mikroorganizmów. Interdyscyplinarny zespół badawczy w HIPS, Uniwersytecie Saarland i Szpitalu Uniwersyteckim Saarland postawił sobie za cel znalezienie również naturalnych produktów, które można zastosować w leczeniu chorób niezakaźnych. Zamiast szukać w glebie, zespół szuka bezpośrednio w bakteriach kolonizujących ludzi i zwierzęta oraz odgrywających rolę w rozwoju chorób. Podejście to jest również centralnym elementem planowanego klastra doskonałości nextAID³, który został pozytywnie oceniony w pierwszej rundzie przez Niemiecką Fundację ds. Badań Naukowych (DFG) i którego pełny wniosek został złożony przez Uniwersytet Saary w sierpniu 2024 r.
Podstawą tych zakrojonych na szeroką skalę poszukiwań nowych składników aktywnych były dwie kohorty: W badaniu „IMAGINE” naukowcy zebrali prawie 2000 próbek od zdrowych osób i pacjentów z różnymi chorobami. Ponieważ różne części mikrobiomu mogą być dotknięte różnymi chorobami, naukowcy zbadali mikrobiom w ślinie, płytce nazębnej i kale, a także w oku, gardle i na skórze. W drugim badaniu zespół zbadał mikrobiom zwierząt w ogrodzie zoologicznym Saarbrücken i porównał go z mikrobiomem zwierząt żyjących na wolności. Celem tej znacznie mniejszej kohorty było pokazanie, że mikrobiom zwierząt może być również potencjalnym źródłem nowych produktów naturalnych. Próbki zebrane w obu badaniach zostały przetworzone i poddane procesowi zwanemu sekwencjonowaniem metagenomu. Metoda ta pozwala na genetyczną identyfikację wszystkich organizmów znajdujących się w próbce oraz określenie ich liczebności. Jeśli na przykład określony szczep bakteryjny występuje w większej lub mniejszej liczbie w obecności określonej choroby, może potencjalnie brać udział w jej rozwoju lub postępie.
W analizowanych danych zespołowi, w skład którego wchodzili bioinformatyk Andreas Keller, mikrobiolog Sören Becker, pulmonolog Robert Bals i farmaceuta Rolf Müller, udało się znaleźć wiele bakterii, u których występuje takie zachowanie. Ponadto badaczom udało się wykorzystać analizy bioinformatyczne do zidentyfikowania wzorców genetycznych (tzw. klastrów genów biosyntezy) naturalnych produktów powiązanych z badanymi chorobami. „Dla nas te dane to naukowa kopalnia złota. Nadal nie mamy pojęcia, jakie produkty naturalne koduje większość nowo zidentyfikowanych klastrów genów” – mówi Andreas Keller, kierownik katedry w HIPS i profesor bioinformatyki klinicznej na Uniwersytecie Saarland. „Zebrane dane są przetwarzane w naszej niedawno utworzonej bazie danych ABC-HuMi. Ta baza danych zawiera już dalsze dane na temat ludzkiej mikroflory, co pozwoli nam odkryć wiele nowych naturalnych produktów i wykorzystać je jako podstawę do opracowania leków”.
Farmaceuci, biolodzy i chemicy z HIPS są obecnie proszeni o wykorzystywanie danych cyfrowych do tworzenia prawdziwych produktów naturalnych. W sumie sześć grup badawczych pracuje obecnie nad eksperymentalną walidacją 50 najbardziej obiecujących klastrów genów. „Poznanie planu genetycznego produktu naturalnego to dopiero pierwszy krok. Obecnie ciężko pracujemy, aby przenieść te plany do bakterii, które wykorzystają je do wytworzenia zakodowanych produktów naturalnych” – mówi profesor uniwersytecki Rolf Müller, kierownik wydziału i dyrektor naukowy w HIPS, który był współinicjatorem obu opublikowanych badań. „Uzyskane dane odzwierciedlają ogromną różnorodność biologiczną, która nie została dotychczas zbadana. Naszym kolejnym krokiem będzie wykorzystanie tego potencjału. Cieszymy się, że możemy teraz skutecznie zastosować technologie, które wypracowaliśmy przez ostatnie 15 lat do opracowywania antybiotyków również na inne wskazania.”
Chociaż badania w HIPS skupiają się na środkach przeciwdrobnoustrojowych, w ramach PharmaScienceHub zostaną opracowane leki na choroby niezakaźne. Platforma współpracy utworzona pomiędzy HIPS i Uniwersytetem Saary w 2023 r. skupia podmioty z sektora badań akademickich i przemysłu farmaceutycznego, aby przyspieszyć przełożenie wyników badań podstawowych na zastosowania medyczne.
