Если Вэньцзюнь Чжан добьётся своего, никому больше не придётся чистить зубы щёткой или нитью.
Чжан, профессор химической и биомолекулярной инженерии Калифорнийского университета в Беркли, пытается отличить полезные бактерии в полости рта от вредных — тех, что вызывают кариес, — чтобы увеличить долю первых и создать пробиотический микробиом полости рта.
Микробиом полости рта состоит из сотен различных видов бактерий, многие из которых образуют сообщество, прикрепляющееся к зубам и формирующее зубной налёт. Предыдущие исследования были сосредоточены на том, какие из этих видов связаны с кариесом и вырабатывают кислоту, которая разъедает зубную эмаль. Но исследователи обнаружили, что не все виды одинаково полезны или вредны: отдельные виды могут иметь сотни различных разновидностей, называемых штаммами, которые отличаются по своим способностям вызывать кариес.
Вместо того чтобы сосредоточиться на видах или штаммах, Чжан и её команда сканируют последовательности ДНК всех бактерий в полости рта — метагеном — в поисках кластеров генов, связанных с кариесом.
В статье, опубликованной 19 августа в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, она и её коллеги сообщили об открытии одного из таких кластеров генов, который вырабатывает две молекулы, помогающие бактериям в полости рта — как хорошим, так и плохим — слипаться и образовывать прочную биопленку на зубах.
Они обнаружили этот кластер генов в некоторых, но не во всех штаммах нескольких известных патогенных микроорганизмов, обитающих в полости рта, в том числе Streptococcus mutans — главного виновника кариеса. Чжан видит возможность внедрить этот кластер генов в полезные бактерии, чтобы помочь им лучше прикрепляться к зубам и вытеснять бактерии, вырабатывающие кислоту, которые способствуют образованию кариеса.
Отдельные штаммы, принадлежащие к одному и тому же виду, могут быть патогенными, комменсальными или даже пробиотическими. Когда мы лучше изучим активность этих молекул и то, как они могут способствовать образованию прочных биоплёнок, мы сможем внедрить их в полезные бактерии, чтобы они могли образовывать прочные биоплёнки и вытеснять все вредные.
Вэньцзюнь Чжан, профессор химической и биомолекулярной инженерии, Калифорнийский университет в Беркли
Работа была выполнена при поддержке Национального института стоматологических и черепно-лицевых исследований Национального института здравоохранения (R01DE032732).
«Специализированный» метаболизм
Генетический кластер был обнаружен в ходе поиска в онлайн-базе данных большого количества метагеномных последовательностей микробных сообществ в ротовой полости добровольцев. Аспирантка из Беркли МакКенна Яо провела статистический анализ, чтобы выявить кластеры, связанные с заболеваниями полости рта, а затем культивировала бактерии для анализа и идентификации метаболитов, вырабатываемых этими кластерами.
Метаболиты — это небольшие молекулы, состоящие из коротких цепочек аминокислот — пептидов — и жирных кислот, или липидов. Одна молекула действует как клей, помогая клеткам слипаться в комки, а другая — как верёвка, позволяя им образовывать цепочки. Вместе они дают бактериям возможность создавать сообщества — липкое вещество на ваших зубах — вместо того, чтобы плавать поодиночке.
Обнаруженный кластер генов содержит около 15 сегментов ДНК, кодирующих белки, энхансеры и факторы транскрипции, которые действуют как автономная метаболическая кассета — альтернативный метаболический путь, не необходимый для выживания бактерий, но, как выяснил Чжан, оказывающий значительное влияние на окружающую среду, например на зубы. Такие кластеры генов иногда называют вторичным метаболизмом микробов, но Чжан предпочитает термин «специализированный», поскольку они могут производить интересные молекулы. Например, специализированные метаболические сети почвенных бактерий оказались богатым источником антибиотиков.
«Эти специализированные метаболиты определённым образом повышают выживаемость», — говорит Яо, один из трёх аспирантов Беркли, которые внесли свой вклад в работу и являются первыми авторами статьи. «Многие из них, например, являются антибиотиками, поэтому они могут убивать других бактерий, а другие участвуют в усвоении металлов — они помогают бактериям монополизировать ресурсы в своей экологической нише. Способность вырабатывать их, особенно в микробном сообществе, помогает бактериям вытеснять конкурентов и защищать свои ресурсы».
Однако, по словам Чжан, роль специализированных метаболических сетей и вторичных метаболитов в микробиоме человека практически не изучена. Два года назад она и её коллеги обнаружили в бактериях полости рта кластер генов, который вырабатывает ранее неизвестный антибиотик. Они также нашли другой кластер генов, который вырабатывает другой набор липких молекул, способствующих образованию биоплёнок.
Недавно обнаруженный кластер генов является ещё одним доказательством важности вторичных метаболитов микробиома для здоровья человека, будь то полость рта, кишечник, кожа или любой другой орган. Изучение этих липких метаболитов в полости рта, получивших название мутаноклампины, может помочь в борьбе с кариесом.
«Мы ищем что-то, что связано с кариесом, с болезнью. Если однажды мы сможем доказать, что при определённых условиях это действительно вредная молекула, которую нужно предотвратить, мы сможем разработать генетические или химические ингибиторы, чтобы подавить её выработку. Тогда, будем надеяться, бактерии не будут её вырабатывать, и у вас будет меньше кариеса, — сказал Чжан. — Тем временем мы также изучаем другие молекулы, связанные со здоровьем, чтобы с помощью простой стратегии напрямую заставить микробы вырабатывать их в большем количестве».
Один из видов бактерий, которому не помешала бы поддержка, — это Streptococcus salivarius, который, по-видимому, способствует здоровью полости рта и в настоящее время продаётся как пробиотик для полости рта. К сожалению, даже если он окажется пробиотиком, он не образует прочную биопленку, которая прилипает к зубам и быстро исчезает. Чжан предлагает добавить в S. salivarius молекулы, образующие прочную биопленку, чтобы проверить, смогут ли эти бактерии лучше работать в качестве пробиотиков.
«Наша дальнейшая работа будет заключаться в создании обширной карты этих специализированных метаболитов, чтобы мы могли в совокупности увидеть, что производит это динамичное и сложное сообщество на ваших зубах», — сказал Чжан.
Однако Яо отметил, что «лучший способ избавиться от биоплёнки на зубах — это чистка. Мы считаем, что есть более эффективный способ разрушить эту биоплёнку, но мы только начинаем понимать, насколько сложна микрофлора полости рта».
Николас Зилл и Колин Чарльз Барбер — первые соавторы Яо. Другими соавторами являются Юнле Ду, Жуй Чжай, Юнис Юн и Дунья Аль Марзуки с факультета химической и биомолекулярной инженерии Беркли, а также Пэйцзюнь Линь, приглашённый студент Колледжа вычислительной техники, науки о данных и общества.
Источник:
Калифорнийский университет в Беркли
Ссылка на журнал:
Яо, М. Л., и др. (2025). Синергетическое действие специализированных метаболитов, образующихся в результате дивергентного биосинтеза, в микробиоме полости рта человека. Труды Национальной академии наук. doi.org/10.1073/pnas.2504492122
Чтобы написать отзыв нужно авторизоватся