Europejscy naukowcy badają tajemnice genetyczne mikroorganizmów morskich w celu opracowania szeregu nowych produktów „niebieskiej biogospodarki”, w tym antybiotyków oddziałujących wyłącznie na szkodliwe bakterie, a także produktów spożywczych leczących nieswoiste zapalenia jelit (IBD).

—

W mililitrze wody morskiej może żyć nawet milion mikrobów, z których każdy potencjalnie zawiera użyteczne właściwości, które mogą rozwiązać wszystko, od zmiany klimatu po zanieczyszczenie. To życie wodne jest znane jako „mikrobiom morski”, a jego niemal nieograniczony rezerwuar genetyczny przyciąga falę nowych badań.

„Mikrobiom to grupa różnych bakterii, które mają tendencję do wspólnego życia i zazwyczaj są powiązane z określonymi środowiskami” – powiedział Victor Velasco, badacz podoktorancki na Uniwersytecie w Alicante, badający mikrobiomy morskie u wybrzeży Hiszpanii.

Velasco próbuje znaleźć interesujące bakterie i mikroorganizmy żyjące w lub wokół typu morskich bezkręgowców zwanych ascidians, aby odkryć związki bioaktywne o potencjalnych zastosowaniach przemysłowych i zdrowotnych, takich jak antybiotyki. Jego praca jest częścią projektu Bluetools, którego celem jest ułatwienie badań i wykorzystania morskich mikroorganizmów.

Velasco zbiera próbki z różnych środowisk morskich, z których niektóre są bardziej obiecujące niż inne. Mówi, że obszary słabo zbadane oferują większe prawdopodobieństwo odkrycia unikalnych związków bioaktywnych, ponieważ są mniej zbadane, chociaż porty przeładunkowe mogą również oferować nieoczekiwany potencjał. Te często zanieczyszczone miejsca są „najlepszymi lokalizacjami” do znajdowania różnorodnych i potencjalnie cennych mikroorganizmów ascidian, które mogą rozwijać się w takich warunkach.

„Jeszcze jeden powód [we work in ports] ponieważ chcemy zmniejszyć presję, jaką wywieramy na naturalne środowiska tam na zewnątrz” – wyjaśnił. „Lepiej jest łapać te ascidiany z kontrolowanego środowiska, takiego jak port w Alicante, a nie [more pristine] „środowisko naturalne”.

Dane mikrobiomu

Po zebraniu próbek z obiecujących lokalizacji Velasco przechowuje je w niskich temperaturach, przetwarza w celu ekstrakcji DNA, a następnie analizuje je w celu zidentyfikowania bakterii i ich potencjalnych związków bioaktywnych. Obejmuje to czyszczenie próbek w celu usunięcia niepożądanych organizmów, błyskawiczne zamrażanie ciekłym azotem i mielenie ich na proszek w celu łatwiejszego przetwarzania. Następnie analiza genomiczna pomaga Velasco zidentyfikować konkretne bakterie i ich potencjalną bioaktywność.

„Wyodrębniam materiał genomiczny z ascidia, a także mikrobiom związany z ascidia” – powiedział. „Następnie, dzięki dalszej analizie, próbuję znaleźć, które bakterie są powiązane z tymi ascidia i jakie biozwiązki mogą zawierać”.

Następnym krokiem jest analiza mikroorganizmów z najbardziej korzystnymi związkami i rygorystyczne testowanie ich potencjału. To właśnie robi obecnie profesor Marcel Jaspars, dyrektor Marine Biodiscovery Centre na University of Aberdeen w Szkocji, z niektórymi genami antybiotyków, które odkrył jego zespół. Wyjaśnia, że ​​niektóre z najbardziej korzystnych właściwości przeciwdrobnoustrojowych w biomie morskim można znaleźć w najbardziej nieprawdopodobnych miejscach.

„[Marine microorganisms] często ewoluowały razem [with other life]jak na skórze łososia, gdzie wyewoluowała bakteria, aby chronić rybę przed organizmami zakaźnymi”, powiedział Jaspars. Jest on również częścią projektu BlueRemediomics, który identyfikuje obiecujące mikroby, aby wykorzystać ich potencjał genetyczny dla niebieskiej biogospodarki – rozwiązania pochodzące z odnawialnych, żywych zasobów wodnych, takich jak algi, lub mikroorganizmów, takich jak bakterie.

Obecnie Jaspars wykorzystuje dane projektu dotyczące mikrobiomu morskiego, aby znaleźć najbardziej obiecujące geny do testowania, czy mają potencjalne właściwości antybiotyczne. Jego zespół w Aberdeen koncentruje się wyłącznie na cechach biochemicznych, które są ukierunkowane na szkodliwe bakterie, co chroniłoby dobre bakterie żołądka – coś, co może wspierać zdrowy układ odpornościowy.

„Szukamy sekwencji genów, które mają te cechy” – powiedział, dodając, że ich „eksploracja genomu” bada potencjał genetyczny różnych organizmów w celu zidentyfikowania pożądanych nowych związków antybiotycznych.

Wdrażanie potencjału mikroorganizmów

Według Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) bakterie oporne na antybiotyki były bezpośrednio odpowiedzialne za 1,27 miliona zgonów w 2019 r. i czynnikiem przyczyniającym się do kolejnych 4,95 miliona zgonów. Wynika to w dużej mierze z oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe, która komplikuje leczenie zakażeń i sprawia, że ​​inne metody leczenia są bardziej ryzykowne, zwłaszcza w przypadku pacjentów onkologicznych lub biorców przeszczepów narządów, których leki mogą osłabiać ich układ odpornościowy.

Jaspars zidentyfikował już obiecujące próbki mikrobiomu morskiego z danych BlueRemediomics pod kątem właściwości antybiotycznych. Próbki te przeszukano, aby zawęzić je do najciekawszych – proces, który może zmniejszyć ponad 2000 próbek do mniej niż dziesięciu.

Po tym, jak zespół lepiej zrozumie, jak działają najbardziej obiecujące antybiotyki, projekt stosuje techniki edycji i ulepszania próbek w fabryce komórek, takie jak modyfikowanie szlaków metabolicznych organizmów w celu optymalizacji pożądanych rezultatów. „Możemy przetestować naturalną aktywność [to fight harmful bacteria] a następnie możemy zmodyfikować związek za pomocą genetyki i stworzyć nowe związki o większej aktywności”, wyjaśnił Jaspars.

Następnym krokiem jest wyhodowanie organizmu zawierającego oryginalne lub zmodyfikowane geny w celu uzyskania partii związku, aby określić, czy cząsteczka może zachować pożądane właściwości antybiotyczne podczas produkcji na dużą skalę. Jeśli właściwości antybiotyczne pozostaną skuteczne, można rozpocząć próby na zwierzętach, a ostatecznie na ludziach. Dopiero po tym rozpocznie się komercyjna produkcja nowego leku antybiotykowego, ale skalowanie mikroorganizmów morskich do takiego poziomu przemysłowego wiąże się z własnymi wyzwaniami: objętością.

Jeśli badania wypracowały skuteczny produkt niebieskiej biogospodarki, ale można uzyskać tylko kilka miligramów, jego produkcja nie będzie opłacalna ekonomicznie. Jednak niektóre firmy już opracowały sposób na zwiększenie potrzebnej podaży.

Necton, najstarsza firma produkująca mikroalgi w Europie, obecnie uprawia i wykorzystuje mikroalgi do produkcji różnych produktów – głównie do akwakultury, takich jak pasza dla ryb. Obecnie firma bada również nowe rozwiązania, które można by dodać do jej oferty, w tym produkty lecznicze.

Patricia Diogo, menedżer ds. innowacji w Necton, wyjaśnia, że ​​skalowanie produkcji nowych rozwiązań niebieskiej biogospodarki ze skali laboratoryjnej do przemysłowej musi być tanie i wydajne, zanim stanie się powszechne. „Koszt jest jednym z głównych wąskich gardeł w ich stosowaniu, pomimo faktu, że w Europie istnieje duże zapotrzebowanie” – powiedziała.

Skalowanie rozwiązań w zakresie niebieskiej biogospodarki

Wysokie koszty wynikają ze skomplikowanych procesów biotechnologicznych wymaganych do hodowli mikroorganizmów morskich w dużych ilościach. Na przykład, gdy obiecujący gatunek zostanie wybrany ze względu na swoje korzystne cechy, musi być uprawiany w sposób opłacalny, aby przynieść wartościowy zysk. Wymaga to połączenia zoptymalizowanych warunków wzrostu z tymi, które maksymalizują cechy mikroalg, co może obejmować delikatną równowagę intensywności światła, temperatury, poziomu dwutlenku węgla (CO2) i składników odżywczych.

Patricia współpracuje z Algae4IBD, kolejnym projektem biogospodarki niebieskiej, który ma na celu wykorzystanie mikroalg w nowych metodach leczenia nieswoistego zapalenia jelit (IBD), choroby, która dotyka około 6,8 miliona ludzi na całym świecie. Praca Necton jest częścią rozwoju nowych produktów, które mogą zapobiegać i leczyć IBD, co pokazuje farmaceutyczny i terapeutyczny potencjał mikroalg.

„Naszym celem jest złagodzenie i łagodzenie objawów NZJ przy użyciu ekstraktów pochodzących z mikroalg” – powiedział Diogo, dodając, że Algae4IBD ma na celu opracowanie produktów, takich jak żelki i koktajle, które mogłyby zapobiegać objawom NZJ.

Necton pracuje nad określeniem etapów produkcji potrzebnych do efektywnego skalowania mikroorganizmów Algae4IBD na skalę przemysłową. Diogo wyjaśnia, że ​​zazwyczaj oznacza to przeniesienie prób produkcyjnych do systemu pilotażowego, który często obejmuje duże bioreaktory lub stawy zewnętrzne, w których można hodować tysiące litrów obiecujących alg. Następnie proces produkcji byłby monitorowany i regularnie dostosowywany w celu utrzymania optymalnych warunków wzrostu.

„Zazwyczaj wykonujemy produkcję w trybie półciągłym. Oznacza to, że okresowo zbieramy kulturę i codziennie analizujemy składniki odżywcze, aby w razie potrzeby zrekompensować optymalny wzrost” — powiedział Diogo.

Po ustanowieniu odpowiedniego cyklu produkcyjnego można zbierać mikroalgi. Następnie biomasa jest przetwarzana, co może obejmować suszenie, mielenie i ekstrakcję określonych związków, w zależności od zamierzonego produktu końcowego. Efektywne zbieranie i przetwarzanie są kluczowe dla zachowania właściwości funkcjonalnych alg, szczególnie w przypadku produktów o wysokiej wartości, takich jak produkty farmaceutyczne. Następny i ostatni krok obejmuje rygorystyczne testy kontroli jakości, aby upewnić się, że mikroalgi spełniają standardy bezpieczeństwa i skuteczności przed zapakowaniem i sprzedażą klientom.

Może to być długa podróż, która może trwać wiele lat i kosztować miliony euro. Diogo podkreśla potrzebę zmian regulacyjnych, aby przyspieszyć zatwierdzanie nowych produktów niebieskiej biogospodarki, czy to do celów spożywczych, czy medycznych, co może znacznie skrócić czas i koszty wprowadzania innowacyjnego rozwiązania na rynek.

„Wiele firm produkujących mikroalgi współpracuje, aby wywierać presję na UE w tym celu” – powiedziała. „Uważam jednak, że nadal musi to być bardziej ukierunkowane i skoordynowane za pomocą nowej, dedykowanej polityki”.