Выявление эко-географических факторов, определяющих функциональный состав и структуру природных микробных сообществ

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-14-00181

НазваниеВыявление эко-географических факторов, определяющих функциональный состав и структуру природных микробных сообществ

Руководитель Северинов Константин Викторович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии гена Российской академии наук , г Москва

Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-110 - Общая и молекулярная микробиология; вирусология

Ключевые слова Метагеномика, природные микробные сообщества, высокопроизводительное секвенирование, кластеры генов биосинтеза, антибиотики, антибиотикорезистентность

Код ГРНТИ34.27.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Природные микробные сообщества являются важнейшими компонентами экосистем и участниками круговорота элементов. Они являются источником значимых для биотехнологии и медицины штаммов, соединений, ферментов. Для исследования природного разнообразия бактерий проводятся глобальные поисковые исследования, такие как Earth Microbiome Project и Tara Oceans. К сожалению, в подобных общемировых проектах мало представлены или отсутствуют образцы из Российской Федерации, а, значит, пропущены уникальные природные сообщества, обладающие высоким трансляционным потенциалом. Для закрытия данного пробела ранее коллективом был выполнен проект “Атлас микробных сообществ Российской Федерации” (далее “Атлас”), в рамках которого были организованы более 30 экспедиций по морям акваторий Северного ледовитого и Тихого океанов, а также в заповедники Российской Федерации. Состав более чем 4000 образцов микробиоты, собранных в 820 локациях, был охарактеризован методами высокопроизводительного секвенирования. Данные секвенирования и физико-химические параметры окружающей среды в точках сбора легли в основу уникальной базы данных. В рамках данного проекта планируется проведение комплексного анализа собранной в базе данных “Атласа” информации для выявления эко-географических факторов, определяющих структуру природных микробных сообществ, в том числе микробиоты, ассоциированной с видами животных и морских растений, обладающих важным промысловым значением. Отдельное внимание будет уделено исследованию групп генов с биотехнологических и медицинским потенциалом, такими как кластеры генов вторичных метаболитов, гены биосинтеза люциферина целентеразина и гены антибиотикорезистентности.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Природные микробные сообщества участвуют во всех геохимических циклах и влияют на состояние всей биосферы. Микробные сообщества являются важными источниками новых антибактериальных соединений и ферментов, в том числе новых компонентов, пригодных для технологий редактирования геномов. Методы метагеномного секвенирования позволяют исследовать разнообразные микробные сообщества, в том числе определять их состав, реконструировать геномы микроорганизмов, осуществлять поиск биосинтетических кластеров и локусов, кодирующих защитные системы. На текущий момент микробиомы природных сообществ России, в частности, микробиомы морей бассейна Северного ледовитого океанов, остаются малоизученными. Ранее в рамках проекта “Атлас микробных сообществ России” были проведены морские и наземные экспедиции, в ходе которых были собраны природные образцы, из которых извлекли метагеномную ДНК, которая была секвенирована. Также в ходе этих работ была получена коллекция из более 2000 изолированных штаммов бактерий. В 2024 году нами создан новый программный пайплайн, позволяющий производить высокоэффективную обработку данных метагеномного секвенирования на кластере для распределенных вычислений. Предварительные результаты показали, что сборка метагеномных последовательностей позволяет получать реконструированные микробные геномы высокого качества. Скрининг коллекции микроорганизмов позволил идентифицировать штаммы, продуцирующие антибактериальные соединения; с помощью специальной репортерной системы для ряда штаммов удалось предсказать механизм действия продуцируемых ими антибактериальных веществ. В ходе анализа микробиомов горячих источников о. Кунашир были изолированы новые бактериофаги, заражающие клетки гипертермофильных бактерий Thermus thermophilus. Некоторые из открытых бактериофагов кодируют новую (на уровне подтипа) CRISPR-Cas систему с компактным термостабильным эффекторным белком. Продемонстрирована активность этой системы, что позволяет адаптировать ее для использования в качестве инструмента для геномного редактирования термофильных организмов.

Публикации

1. Бурман, Н., Белухина, С., Депардье, Ф., Уилкинсон, Р.А., Скутель, М., Сантьяго-Франгос, А., Грэхэм, А.Б., Ливенский, А., Чеченина, А., Морозова, Н., Захл, Т., Энрикес, В.С., Буюкюрюк, М., Руйон, К., Содемон, Б., Широкова, Л., Курата, Т., Гаврилюк, В., Северинов, Грозейл, Ж., Тьерри, А., Кошуль, Р., Тессон, Ф., Бернхейм, А., Бикард, Д., Виденхефт, Б., Исаев, А. A virally-encoded tRNA neutralizes the PARIS antiviral defence system Nature, Nature 634, 424–431 (год публикации - 2024)
10.1038/s41586-024-07874-3

2. Арсеньев, А., Панфилов, М., Побегалов, Г., Потысьева, А., Павлинова, П., Якунина, М., Ли, Дж., Борухов, С., Северинов, К., Ходорковский, М. Single-molecule studies reveal the off-pathway early paused state intermediates as a target of streptolydigin inhibition of RNA polymerase and its dramatic enhancement by Gre factors Nucleic Acids Research, Nucleic Acids Research, gkae1135 (год публикации - 2024)
10.1093/nar/gkae1135

3. Галивонджян А., Сутормин, Д., Пантелеев, В., Кульбачинский, А., Северинов, К. The role of prokaryotic argonautes in resistance to type II topoisomerases poison ciprofloxacin Biochemical Society Transactions, Biochem Soc Trans (2024) 52 (5): 2157–2166 (год публикации - 2024)
10.1042/BST20240094

4. Колесник, М., Павлов, К., Демкина, А., Самолыго, А., Карнеева, К., Трофимова, А., Соколова, О.С., Моисеенко, А.В., Кирсанова, М., Северинов, К. New Viruses Infecting Hyperthermophilic Bacterium Thermus thermophilus VIRUSES - BASEL, Viruses 2024, 16(9), 1410 (год публикации - 2024)
10.3390/v16091410

5. Козлова, С., Морозова, Н., Исполатов, Я., Северинов, К. Dependence of post-segregational killing mediated by Type II restriction–modification systems on the lifetime of restriction endonuclease effective activity mBio, ASM Journals, mBio, Vol. 15, No. 8 (год публикации - 2024)
10.1128/mbio.01408-24

6. Скутель, М., Яновская, Д., Демкина, А., Шенфельд, А., Мушарова, О., Северинов, К., Исаев, А. RecA-dependent or independent recombination of plasmid DNA generates a conflict with the host EcoKI immunity by launching restriction alleviation Nucleic Acids Research, Nucleic Acids Research, Volume 52, Issue 9, 5195–5208 (год публикации - 2024)
10.1093/nar/gkae243

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетный период выполнен комплекс работ по анализу природных микробиомов, поиску новых защитных систем и биологически активных соединений, а также по экспериментальному изучению новой CRISPR-Cas системы типа V, закодированной в обнаруженном нами бактериофаге. Завершена обработка метагеномных данных, накопленных в рамках проекта «Атлас микробных сообществ России». Проанализированы 330 природных образцов из морских, пресноводных и наземных биотопов. Для повышения качества, многие образцы мы собирали комбинируя короткие (платформа MGI) и длинные (Oxford Nanopore) прочтения. Удалось собрать 2891 геном бактерий и архей, включая 314 новых геномов, для которых не имеется аналогов на уровне рода. В некоторых из собранных «новых» геномов обнаруживаются новые варианты дыхательных цепей, адаптированные к градиентам кислорода, уникальные пути деградации сложных субстратов, биосинтетические кластеры вторичных метаболитов и множество новых защитных систем (CRISPR-Cas, рестрикции-модификации, токсин-антитоксин). Построена сеть взаимодействий «хозяин–вирус», с помощью которой можно количественно оценить оценить вирусную нагрузку у разных бактериальных таксонов. Оказалось, что 310 бактериофагов инфицируют класс Bacteroidia, что почти втрое превышает вирусную нагрузку второго по популярности среди вирусов класса Gammaproteobacteria (107 вирусов). У большинства остальных классов бактерий выявлено менее 10 вирусных ассоциаций. В собранных метагеномах найдены 5047 достоверных CRISPR-Cas систем типов II, IV и VI. 90% из них относятся к типу IV. Полученные данные существенно расширяют каталог известных CRISPR-Cas систем и свидетельствуют о недооцененной роли систем IV типа в природе. Изучен новый класс мобильных генетический элементов, использующих гены тРНК, как универсальные «горячие точки» для встраивания в бактериальные генома. 8.4% собранных нами геномов содержат хотя бы одну вставку такого элемента. Завершён скрининг 2400 изолированных штаммов на наличие антимикробной актовности. Культуральные жидкости/экстракты 1202 штаммов ингибировали рост как минимум одной тестовой культуры. Функциональный скрининг 90 наиболее активных штаммов выявил 5, производящих соединения, ингибирующие трансляцию, и 3 - индуцирующие SOS-ответ. Геномы этих восьми штаммов были секвенированы на платформе Oxford Nanopore. Филогенетический анализ показал, что эффекторный белок Cas12r1 из предсказанной tnpB_CRISPR системы, закодированной в геноме бактериофаге T. thermophilus Lalka27a, относится к новому подтипу CRISPR нуклеаз V типа. Определена структуразащитных CRISPR-РНК, ассоциированных с Cas12r1. Для их созревания достаточно лишь одного повтора CRISPR-кассеты. Крайне необычно, что показано, что RuvC-домен Cas12r1 не участвует в созревании CRISPR-РНК, но необходим для защитной функции. Выделены ранние, средние, или поздние классы генов Lalka27a. сas12r1 относится к средним генам; его транскрипт наиболее представлен среди транскриптов этого класса.

Публикации

1. Гилеп К., Бикметов Д., Попов А., Русанова А., Тагами Ш., Дубилей С., Северинов К. Novel type II toxin-antitoxin systems with VapD-like proteins mBio, ASM Journals, mBio, Vol. 16, Issue 4 (год публикации - 2025)
10.1128/mbio.00003-25

2. Куликовский А., Ягмуров Э., Григорьева А., Попов А., Северинов К., Наир С.К., Липпенс Г., Серебрякова М., Борухов С., Дубилей С. Bacillus subtilis Utilizes Decarboxylated S‑Adenosylmethionine for the Biosynthesis of Tandem Aminopropylated Microcin C, a Potent Inhibitor of Bacterial Aspartyl-tRNA Synthetase Journal of the American Chemical Society, Journal of the American Chemical Society, Vol 147, Issue 14 (год публикации - 2025)
10.1021/jacs.4c18468

3. Дробязко А., Адамс М.С., Скутель М., Потехина К., Котовская О., Трофимова А., Матлашов М., Яцеленко Д., Максвелл К.Л., Бловер Т.Р., Северинов К., Гиляров Д. и Исаев А. Molecular basis of foreign DNA recognition by BREX anti-phage immunity system Nature Communications, Nature Communications, volume 16, Article number: 1825 (год публикации - 2025)
10.1038/s41467-025-57006-2

4. Белухина С., Саудемон Б., Депардье Ф., Лортиос Т., Мавиза Т. П., Ливенский А., Серебрякова М., Александрова М., Ухолкина Е., Бурмистрова Н., Сергиев П., Либиад М., Дюбрак С., Баррас Ф., Моторин Ю., Маршан В., Хагелюкен Г., Исаев А., Бикард Д., Руйон К. Specificity and mechanism of tRNA cleavage by the AriB Toprim nuclease of the PARIS bacterial immune system Philosophical Transactions of the Royal Society B, Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci (2025) 380 (1934): 20240074 . (год публикации - 2025)
10.1098/rstb.2024.0074

5. Ло С., Ли Х.- Р., Гун Х.-Т., Куликовский А., Цюй Ф., Бейс К., Северинов К., Дубилей С., Фенг Х., Донг С.- Х. и Наир С.К. Trojan horse peptide conjugates remodel the activity spectrum of clinical antibiotics The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), PNAS Vol. 122 | No. 1 (год публикации - 2024)
10.1073/pnas.2319483121

6. Исполатов Ю., Леконцева А. и Северинов К. The number of immune defence and counter-defence systems sustained in the arms race between prokaryotes and viruses Scientific Reports (Sci Rep), Scientific Reports, (2025) 15:28083 (год публикации - 2025)
10.1038/s41598-025-11335-w

7. Волынкина И.А., Грачев А.А., Ливенский А.А., Ягода Д.К., Касатский П.С., Толичева О.А., Комарова Е.С., Тупикин А.Е., Алферова В.А., Каракчиева А.О., Никандрова А.А., Бирюков М.В., Закалюкина Ю.В., Дорофеева Л.В., Ихалайнен Ю.А., Родин И.А., Лукьянов Д.А., Кабилов М.Р., Палескава А., Коневега А.Л., Сергиев П.В. и Донцова О.А. A Unique Mechanism of Glycine-Specific Inhibition of Bacterial Translation by Bottromycin A2 Biochemistry (Moscow), Biochemistry (Moscow), 2025, Vol. 90, No. 11, pp. 1620-1642 (год публикации - 2025)
10.1134/S0006297925603740