Мікробіологи навчилися за сім хвилин оцінювати види та активність бактерій.

Результати дослідження, підтриманого грантом Російського наукового фонду (РНФ), опубліковані в Microchemical Journal. Мікроби відіграють величезну роль у нашому житті. Вони живуть в нашому організмі, на поверхні шкіри, навколо нас, формуючи складні спільноти, що впливають на наше здоров'я та навколишнє середовище. Дослідження цих мікроскопічних екосистем — складне завдання, оскільки мікроби дуже різноманітні, а їхня активність змінюється в залежності від умов навколишнього середовища.

На сьогоднішній день активність мікроорганізмів вчені можуть оцінити за допомогою кількох методів мас-спектрометрії, які вимагають великої кількості часу та зусиль. Таким чином, за допомогою протеомного аналізу bottom up і на основі тандемної мас-спектроскопії дослідники аналізують зразки бактеріальних білків, при цьому їх потрібно попередньо «нарізати» ферментами на невеликі пептиди, а у випадку мас-спектрометрії потім ще додатково фрагментувати.

Інший метод, на основі часового аналізу мас-спектрометрії, хоча й дозволяє швидко визначити, який вид мікробів присутній у зразку, нічого не скаже про стан цих мікробів: їх активність, обмін речовин і так далі. Тому потрібні нові інструменти, які дозволять не тільки швидко ідентифікувати мікроорганізми, але й оцінювати їх функціональну активність. Це важливо для боротьби з хворобами, захисту навколишнього середовища та створення нових біомедичних технологій.

Вчені з Федерального дослідницького центру хімічної фізики імені Н.Н. Семенова РАН (Москва) з колегами розробили новий метод під назвою DirectMS1, який дозволяє швидко оцінити як видовий склад, так і функціональну активність мікроорганізмів і їх спільнот. Автори спростили і в рази прискорили збір експериментальних даних, відмовившись від фрагментації білків і скоротивши годинний експеримент до семи хвилин.

Дослідники протестували метод на окремих популяціях мікроорганізмів, модельних мікробних спільнотах з відомим складом і доступних експериментальних даних про мікробіоту кишечника людини. Так, у рамках підходу експериментальні дані — послідовності білків бактерій у зразку — співвідносилися з базою даних бактеріальних білків, відомих на даний момент. Щоб скоротити час аналізу, вчені розділили процес визначення бактеріальних видів на два етапи: спочатку проводили попередній пошук, скоротивши таким чином базу даних до найбільш ймовірних бактерій, а потім використовували її для точного визначення видів.

Дослідники перевірили ефективність такого двоетапного підходу. Для цього вчені за допомогою розробленого методу проаналізували білки 19 заздалегідь відомих штамів бактерій. Виявилося, що двоетапний алгоритм визначає види мікроорганізмів з точністю 95 відсотків.

Крім того, автори оцінили, чи зможе двоетапний пошук виділити різні мікроорганізми в суміші ґрунтових бактерій. У цьому випадку при визначенні роду точність методу склала 88 відсотків.

Запропонований підхід також дозволив описати зміни в метаболізмі (обміні речовин) бактерій, які відбуваються під впливом середовища проживання. Так, вчені перевірили, як змінюється біохімічна активність двох видів актинобактерій роду Rhodococcus, які розщеплюють ароматичні вуглеводні і, отже, перспективні для утилізації токсичних відходів нафтопереробної промисловості. В оточенні шкідливих речовин бактерії активно синтезували набір білків-ферментів, які беруть участь у їх розкладанні. За кількістю таких сполук можна швидко оцінювати ефективність і життєздатність досліджених бактерій.

«Наш підхід дозволяє проводити швидкий і інформативний аналіз окремих мікроорганізмів і мікробних спільнот. Цю технологію можна застосовувати до будь-яких бактерій і грибів. Вона спростить оцінку активності мікроорганізмів, зокрема патогенних, визначення складу та функціонального стану мікробіоти для клінічної діагностики та екологічного моніторингу. Наразі спільно з колегами з Сколтеха, МФТІ та ІОГен РАН ми тестуємо наш метод на мікробних спільнотах ґрунтів, мікробіоти кишечника сільськогосподарської птиці та тваринних моделях хвороби Паркінсона.

Ми впевнені, що найближчим часом зможемо запропонувати мікробіологам готове технологічне рішення, яке значно прискорить функціональний аналіз мікробіоти та підвищить його доступність», — розповідає учасник проекту, підтриманого грантом РНФ, Ірина Тарасова, кандидат фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник Федерального дослідницького центру хімічної фізики імені Н.Н. Семенова РАН.

У дослідженні також взяли участь співробітники Пущинського наукового центру біологічних досліджень РАН (Пущино), Бєлгородського державного національного дослідницького університету (Бєлгород) та Університету Південної Данії (Данія).