Diese Technologie kann eine Superbug Apokalypse verhindern.
Fast ein Jahrhundert, nachdem Wissenschaftler Penicillin ausgegraben, sind Forscher einmal mehr auf den Boden für neue Arzneimittel drehen. Aber diesmal haben sie kleine, leistungsstarke Technologien auf ihrer Seite. Hier ist, wie Wissenschaftler die Geheimnisse von Bodenmikroben und entdecken Sie die nächste Generation der Medizin sind.
Der Boden ist den meisten artenreichen Lebensraum auf dem Planeten, mit mehr als 10 Milliarden Bakterien und Pilze in ein einziges Gramm. Es ist auch ein Teufelskreis Schlachtfeld, wo Mikroben, in einen endlosen chemische Rüstungswettlauf beschäftigt sind, nässende alle Arten von Antibiotika und Giftstoffe, wie sie für Ressourcen konkurrieren. In der Tat, die erste Gruppe von Antibiotika jeden entdeckt, Penicillin, stammt aus einem Pilz Zersetzung in Waldböden auf der ganzen Welt gefunden. In der Mitte des 20. Jahrhunderts wurden viele andere bekannte Antibiotika, einschließlich Vancomycin, aus Bodenbakterien isoliert.
Aber in den letzten Jahrzehnten stagniert die Entwicklung neuer Antibiotika, mit Big Pharma lieber zu viel lukrativer Medikamente zur Behandlung von chronischen Krankheiten seine Energie konzentrieren. Zur gleichen Zeit, aufgrund der weit verbreiteten und übermäßige Verwendung von Antibiotika in der Viehzucht und der Humanmedizin hat die Häufigkeit von arzneimittelresistenten Infektionen sprunghaft angestiegen. Gesundheitsbeamten machen düstere Vorhersagen der Post-Antibiotikum Zukunft, und die Realitäten, die Zukunft würde sind erschütternde.
Die Botschaft ist durchweg klar: Wir müssen neue Enten zu entdecken, und zwar schnell.
Von Petrischalen mit Meta-Genomen
Bild: Anthony D'Onofrio
In den alten Tagen wenn Sie eine Mikrobe studieren wollte, bedeutete, dass bekommen es im Labor wachsen. Aber die Wachstumsbedingungen, die Arbeiten für die meisten Bugs zu finden hat sich als außerordentlich anspruchsvoll. Bis zum heutigen Tag haben wir nur geschafft, etwa ein Prozent der die Bodenmikroben Kultur, wie wir denken, die es gibt. Jahrzehntelang war die Identität des "unsichtbaren Mehrheit" ein völliges Rätsel.
Aber in den letzten zwanzig Jahren haben neue, Hochdurchsatz-Technologien Mikrobiologie aus den dunklen Zeiten gebracht. Forscher können nun nehmen Sie eine Probe von Schmutz, Wasser, Luft oder Schlamm, die DNA aus ihm heraus zu saugen und seine gesamte genetische Bibliothek zu entschlüsseln. Wir können jede Mikrobe in einen Löffel von Schmutz ID, ohne ein Ding wächst. Bereich der Metagenomik revolutioniert unsere Sicht der Welt, zeigt uns, dass wir wirklich nur ein kleiner Teil eines riesigen mikrobiellen Ökosystems oder Microbiome sind.
Aber Sarah Zhang vor kurzem hingewiesen, wir sind immer noch wie des 19. Jahrhunderts darwinistische Entdecker, wenn es um Mikrobiome geht: Wir sind in der Phase der Katalogisierung Leben. Dies ist ein wichtiges Unterfangen, aber es hat auch Einschränkungen.
Stellen Sie sich vor, Sie erfahren die Menschen von New York City wollte, und Sie taten dies, indem man eine Hautprobe aus jeder Bewohner, und ihrem Genom-Sequenzierung. Sie würden eine Menge lernen über Abstammung, genetische Beziehungen, vielleicht sogar Krankheitsanfälligkeit. Aber Sie würden lernen, fast nichts über was der Big Apple Bewohner tatsächlich tunkönnen. Wie viele Ärzte und Polizisten gibt es? Wie viele Menschen sind zweisprachig? Wer ist eine kompetente Programmierer und wer ein Haus elektrisch verbinden kann? Nichts davon, lernen Sie müssten eigentlich die Menschen beobachten und sehen, was sie fähig sind.
Aus dem gleichen Grund müssen Forscher Metagenomik verwenden können, zu entdecken, welche Mikroben in der Natur vorkommen, sondern zu lernen, was unsere mikrobielle Themen eigentlich sind, wir sie in Aktion zu sehen.
"Es gibt vieles, was noch nicht erklärbar ist das Genom eines Organismus betrachten," erzählte Slava Epstein, Professor für Biologie an der Northeastern University, mir. "Am Ende des Tages sind die Eigenschaften eines Organismus, wie z. B. Antibiotika, die sie produzieren kann, die noch viel einfacher zu entdecken, wenn Sie den Organismus Kultur können."
Das bringt uns zum Teixobactin, eine vielversprechende neue Klasse von Antibiotika deren Entdeckung beruhte auf iChip, eine Technologie, die verbindet, Oldschool Kultivierung mit new School-Ansätze, die darauf abzielen, die unsichtbare Mehrheit so effizient wie möglich klopfen.
Ein Spiel ändernden Technologie
Als Teixobactin im Januar angekündigt wurde, galt es als ein "Game-Changer" im Kampf gegen Antibiotika-Resistenz. Aus gutem Grund: Es ist die erste neue Klasse von Antibiotika haben wir in fast dreißig Jahren entdeckt, und bisher hat es jeden Erreger wir haben geworfen, darunter mehrere sehr resistente Stämme von Staph getötet. Im Gegensatz zu den meisten Antibiotika, die auf kritische bakterielle Proteine, greift dieses Medikament die Lipidmoleküle, die Bakterien zu verwenden, um neue neue Zellwände aufzubauen. Vanomycin, begann ein anderes Antibiotikum, das Ziele Zellwand Vorstufen, arbeitete seit über 40 Jahren vor Fehlern, Widerstand zu entwickeln.
Dennoch gibt es wichtige Realitäten, die wir stellen müssen. Zum einen Teixobactin befindet sich noch in der präklinischen Entwicklung, und es gibt keine Garantie, die das Medikament es machen auf den Markt. Aber selbst wenn dies der Fall, Teixobactin ist nicht gonna die Wunderwaffe, die unsere Antibiotika Krise löst. Da ist eine Sache, die Mikroben gezeigt haben, uns Zeit und wieder ist es, dass sie sind in der Lage entwickeln Resistenz gegen so ziemlich alles – von Antibiotika, starke Säuren, radioaktive Abfälle. Teixobactin muss wie andere Antibiotika verantwortungsvoll verwaltet werden, um so weit wie möglich seine Lebensdauer zu verlängern. Auch so werden manche Bakterien schließlich Widerstand entwickeln.
Was mehr bahnbrechende als alles, was über dieses Medikament ist wie wir es gefunden. Teixobactin wurde isoliert aus einem zuvor unkultiviert Bodenbakterium, über eine clevere kleine Gadget namens iChip, die jetzt an die Firma NovoBiotic Pharmaceuticals, gegründet von Epstein in den frühen 2000er Jahren zugelassen ist.
Das Prinzip hinter iChip ist ganz einfach: die meisten Bodenmikroben angebaut werden können nicht im Labor, stattdessen nehmen wir sie wachsen wo sie am besten wachsen – den Schmutz.
"Hundert und fünfzig Jahre lang alle mikrobiologischen Anbau war im wesentlichen Rätselraten," Epstein sagte mir. "Aber wir wissen, dass die Natur die Essentials bietet diese Organismen brauchen." Wenn das der Fall ist, dann warum auf der Erde versuchen wir, sie im Labor zu kultivieren?"
Epstein arbeitet seit mehr als einem Jahrzehnt, mikrobielle Anbau auf dem Feld zu bringen, und jetzt, seine Firma entwarf einen cleveren Weg, dies zu tun. iChip ist ein kleines Raster bestehend aus Hunderten von Miniatur-Klimakammern. Boden ist mit Wasser verdünnt, mit Agar gemischt und gegossen in den Chip. Die Verdünnung wird sichergestellt, dass jede "Kammer" nur ein einziges Bakterium enthält zu starten. Der Chip ist dann getaucht in ein Becherglas des Bodens und die Bakterien sind erlaubt zu wachsen. Sie bleiben wegen der Agar, sondern alle Nährstoffe und Wachstumsfaktoren, die sie benötigen sonst ausgesetzt sind. Sobald jeder "Saatgut-Bakterien" vervielfacht hat, können Forscher die Chip für interessante Produkte, einschließlich Antibiotika Bildschirm.
IChip geht so weit, zu einem spannenden Start. Es hat etwa 10 tausend Sorten von unkultivierten Boden Bugs gesammelt und eine Handvoll neuer Antibiotika, einschließlich Teixobactin aufgedeckt. Und das ist erst der Anfang – denken Sie daran, dass die meisten Antibiotika haben wir entdeckt und entwickelt so weit kommen von lediglich 1 Prozent der Bodenbakterien. Die restlichen 99 Prozent, wir erwarten Hunderte bis Tausende mehr, sowie Entzündungshemmer, antivirale, Anti-Krebs-Wirkstoffe und Immunsuppressiva. Eine wahre Fundgrube von Drogen.
Was mehr ist, ist iChip des frühen Erfolg neue Initiativen, um das medizinische Potenzial Bodenmikroben motivieren. Dazu gehören die Bürger wissenschaftliches Projekt Drogen vor Schmutz, der darauf abzielt, die genetische Vielfalt der Böden weltweit mit Metagenomik Karte. Eine solche Karte können Forscher identifizieren "Hotspots" für medizinisch wertvollen Bakterien, die weiteren untersuchten Werkzeuge wie iChip sein könnte.
"Es gibt hier eine hilfreiche Dichotomie zwischen Metagenomik und neuen Anbau-Tools", sagte Epstein. "Beide genau dasselbe erreichen wollen: den Zugriff auf das Potenzial der Mikroorganismen im Boden, die im Labor kultiviert werden kann nicht."
Genomics-Werkzeugen und Anbau könnten synergistische auf andere Weise zu sein. Zum Beispiel, nachdem ein Antibiotikum produzieren Fehler identifiziert wurde, Forscher möglicherweise interessiert zu wissen, seine gesamte Genom, zu sehen, was in ihm steckt.
"Gerade jetzt, wir konzentrieren uns auf Anbau, aber das ist um nicht zu sagen, wir sind nicht daran interessiert zu wissen die Genome der Stämme, die wir pflegen," sagte Epstein mir. "Würde sagen, dass uns, nicht nur das, was wir sehen, sie produzieren, aber was sie potenziell produzieren können. In der Zukunft vielleicht einen Weg, diese verborgenen Kräfte zu nutzen gefunden."
Mit einer Fülle von neuen, Hochdurchsatz-Screening-Tools zur Verfügung sind Forscher wie Epstein optimistisch, dass eine Rückkehr zu den glorreichen Tagen von Drogen in den Schmutz zu entdecken steht vor der Tür. Hoffen wir also, denn nur so werden wir schlagen Bakterien auf das Medikament Widerstand Spiel aufzudecken mächtige neue Waffen schneller als sie Verteidigung entwickeln können.
Also, nächste Mal finden Sie sich ein wenig schlammig nach einem Spaziergang rund um im Außenbereich einen Moment Zeit nehmen zu schätzen, dass Glob von Schmutz an der Unterseite deines Schuhs verkrustet. Begraben in könnte es nur einen Bug, die Millionen von Menschenleben gerettet werden.