Учёные из Имперского колледжа Лондона и Оксфордского университета впервые секвенировали геном «оригинального» плесневого гриба, на основе которого был выделен пенициллин. Чем же отличается пеницилл, с которым работал сам Александр Флеминг, от его современных штаммов?
В 1928 году шотландский микробиолог Александр Флеминг случайно открыл антибактериальные свойства широко распространённого плесневого гриба. Пеницилл был настолько вездесущим, что он вырос даже в лабораторных чашках Петри, содержащих в себе стафилококк. В распоряжении Флеминга оказался вид Penicillium rubens, который иногда называют «пенициллом Флеминга» в честь учёного. Оригинальный пеницилл, который микробиолог использовал для экспериментов с выделением антибиотика, был подвержен криогенной заморозке, чтобы сохранить его для потомков. Спустя десятилетия учёные впервые секвенировали геном плесневого гриба, свойства которого спасли жизни миллионов людей.
Учёные Имперского колледжа Лондона и Оксфордского университета пришли к исследованию генома плесени случайно, будто в память о случайности открытия шотландца. По словам эволюционного биолога Тимоти Бэркло, пеницилл Флеминга был нужен им для стороннего эксперимента. Однако во время него Бэркло и его коллеги внезапно осознали, что ещё никому не приходило в голову изучить геном оригинального Penicillium rubens родом из первой половины XX века, несмотря на его историческую значимость.
Проведя секвенирование – определение аминокислотных и нуклеотидных последовательностей образца, биологи сравнили его геном с наследственным материалом двух современных штаммов. Оба штамма участвуют в серийном производстве антибиотиков пенициллиновой группы. Благодаря этому учёные имели возможность изучить, как на генетику плесневого гриба повлияли такие факторы, как время, расстояние при транспортировке и воспроизводство в промышленных масштабах. Пеницилл, как и другие виды плесневых грибов, вырабатывает молекулы антибиотика в рамках естественного механизма защиты от потенциально вредоносных микроорганизмов. Поскольку бактерии способны мутировать, чтобы обходить защиту организма, плесневые грибы также вынуждены постоянно эволюционировать. По мнению исследователей, углублённый анализ изменений генома, происходящих в рамках этой микроскопической «гонки вооружений», может оказаться полезным в деле борьбы с проблемой антибиотикорезистентности.
Поскольку современные штаммы были изолированы вовсе не в лабораторных условиях в Великобритании, а из заплесневелой мускусной дыни в США, их геном уже мог иметь незначительные отличия от образца Флеминга. К тому же для использования в коммерческом производстве антибиотиков полученные с дыни грибы подвергли искусственному мутагенезу с целью получения более активных штаммов, выделяющих бо́льшее количество пенициллина. В исследовании геномов образцов пеницилла учёных в первую очередь интересовали два типа генов. Первый отвечает за кодирование состава ферментов, способствующих производству антибактериальных молекул. Второй тип регулирует активность выделения данных ферментов.
Оказалось, что пеницилл Флеминга и его современные аналоги обладают практически идентичными генами, контролирующими производство ферментов. Единственное отличие заключалось в повышенной интенсивности работы генов в американских образцах. Впрочем, эта находка вовсе не удивила исследователей, поскольку, вероятнее всего, именно этот тип генов был изменён искусственно. В то же время учёные заметили гораздо более значимую разницу в первом типе генов, определяющих структуру и состав ферментов. По мнению биологов, такие различия могут быть следствием естественной адаптации плесневых грибов к локально распространённым микроорганизмам. Один из авторов исследования Аюш Патхак считает, что именно в подобных естественных изменениях может лежать ключ к решению проблем с антибиотикорезистентностью. Вполне вероятно, что именно концентрация на увеличении объёмов производства привела к нежелательным изменениям генома современных штаммов, потому исследователям следует вновь поучиться у их природных защитных механизмов.
