Упаковка бактерий в капли помогла найти антибиотики в слюне медведя

Российские биологи разработали способ функционального анализа сложных микробных сообществ при помощи высокопроизводительной микрофлюидной платформы. Метод позволяет определять состав сообществ, размножая отдельные клетки внутри капель водно-жировой эмульсии. Таким способом можно искать продуцентов новых антибиотиков и определять устойчивость к ним бактерий из любых экзотических источников. В качестве примера такого анализа в статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи изучили микробиоту из ротовой полости бурого медведя и нашли там вещество, подавляющее рост метициллин-устойчивого золотистого стафилококка.

Традиционные микробиологические методы исследования бактерий подразумевают выделение чистой (изолированной) культуры микроорганизма и дальнейшую работу с ней. При изучении микробных сообществ из разных экологических ниш, от человеческих фекалий до горячих источников Камчатки, ученые часто оценивают их по суммарному геному всех находящихся в образце бактерий. Геномный анализ бывает достаточно информативным, однако не всегда позволяет в полной мере оценить функциональные возможности микроорганизмов, например, способность к продукции новых антибиотиков или устойчивость к ним.

Сотрудники лаборатории Александра Габибова в московском Институте биоорганической химии имени академиков Шемякина и Овчинникова, в частности, Станислав Терехов, Илья Остерман и Иван Смирнов вместе с коллегами из Сколтеха, в том числе Константином Севериновым разработали способ, позволяющий анализировать свойства отдельных клеток при помощи микрофлюидной платформы. Метод подразумевает упаковку отдельных клеток в капли водно-жировой эмульсии, и последующую высокопроизводительную сортировку капель, например, по флуоресценции репортерных белков. Скорость сортировки достигает 30 тысяч капель в секунду, таким образом за короткое время можно «просмотреть» огромное количество бактерий из любого экзотического источника и отобрать клетки с нужными свойствами. При этом внутри капель клетки могут делиться.

Для демонстрации возможностей платформы авторы работы проанализировали микробиоту ротовой полости дикого сибирского бурого медведя. Ученые поставили себе задачу найти в слюне медведя продуцентов антибиотиков, активных в отношении метициллин-устойчивого золотистого стафилококка — возбудителя опасных внутрибольничных инфекций. Для этого клетки микроорганизмов из медвежьей пасти упаковали в капельки вместе с клетками стафилококка, которые несли ген зеленого флуоресцентного белка. Далее при помощи сортера ученые отобрали те клетки, где стафилококк не размножался, и определили, что за микроорганизм там находился. Оказалось, что в слюне медведя наибольшей противомикробной активностью обладает штамм Bacillus pumilus — продуцент антибиотика амикумацина А.

Этот антибиотик уже был известен ученым, но дополнительный анализ генома бацилл из медведя позволил обнаружить новый ген устойчивости к нему — киназу AmiN, которая фосфорилирует антибиотик и делает его неактивным.

На следующем этапе работы исследователи при помощи своей платформы проверили всех участников микробного сообщества изо рта медведя на устойчивость к амикумацину, а также, для сравнения, микробов из фекалий здорового человека и человека с воспалением кишечника. Для этого отдельные клетки упаковали в капли вместе с разными концентрациями антибиотика, либо без него. Чувствительность к веществу определяли при помощи окрашивания на наличие живых клеток. После инкубации с антибиотиком содержимое капель секвенировали и определяли, какие микроорганизмы вообще есть в сообществе, и какие из них чувствительны к антибиотику. Оказалось, что амикумацин активен в основном в отношении грам-положительных микроорганизмов, а кроме того, действует против групп микробов, характерных для человека с воспалением кишечника. Ученые предположили, что бацилла-продуцент амикумацина может стать компонентом пробиотиков для предотвращения болезней кишечника.

Медведь в обсуждаемой статье на самом деле не является таким уж экзотическим источником микроорганизмов — его микробиота не в первый раз привлекает внимание ученых. Например, мы 

, что летняя и зимняя микрофлора медведя отличается, и от нее зависит способность как накапливать жир, так и расходовать его.

Дарья Спасская