Грибы — одни из самых щедрых поставщиков лекарств в истории медицины: пенициллин, циклоспорин, статины. Но их генетический потенциал изучен лишь на малую долю. В лабораторных условиях грибы «замолкают»: выключают гены, отвечающие за производство сложных молекул, которые в природе помогают им конкурировать с бактериями. Учёные из Университета Пенсильвании нашли способ разбудить эти спящие пути — и сразу наткнулись на 18 новых метаболитов, три из которых убивают раковые клетки.

Почему грибы так трудно редактировать

Нитчатые грибы — особая группа, к которой относятся, например, плесени и многие промышленные штаммы. Их клетки образуют длинные трубчатые нити — гифы. Именно эти организмы производят огромное количество природных соединений, но их генетическое редактирование долго оставалось почти невыполнимой задачей. Классический CRISPR вносит двуцепочечные разрывы в ДНК, а у нитчатых грибов доминирует путь репарации, называемый негомологичным соединением концов. Он быстро сшивает разорванные концы, но делает это с ошибками — мутациями. В результате вместо точной правки гена получается случайный генетический шум. Исследователь Сюэ Гао, один из авторов работы, прямо говорит: традиционные инструменты не справлялись с задачей аккуратно включить «спящие» пути.

fPE7max: прайм-редактирование для грибов

Команда из Пенсильвании построила платформу fPE7max — вариант прайм-редактирования, адаптированный под нитчатые грибы. Прайм-редактирование вообще не делает двуцепочечных разрывов: оно точечно меняет последовательность ДНК, используя специальную направляющую РНК и фермент, который вносит нужную правку. Но в грибах у этого подхода были свои препятствия. Направляющая РНК быстро деградировала, особенно при крупных вставках или удалениях фрагментов. А собственная система репарации гриба могла отменить сделанную правку.

Решение нашлось из двух компонентов. В платформу добавили стабилизирующий белок fLa, который защищает направляющую РНК от разрушения. Второй белок помогает обойти природную систему репарации, чтобы внесённое изменение не «откатилось» обратно. В сумме это позволило выполнять самые разные типы правок: замены отдельных нуклеотидов, вставки длиной до нескольких тысяч пар оснований и делеции размером до 10 тысяч пар оснований. Средняя эффективность редактирования достигла почти 90% на разных генах и в разных видах грибов.

18 новых молекул и три кандидата в лекарства

Проверять инструмент решили на гене-регуляторе laeA. Этот ген управляет целыми каскадами биосинтетических путей. Исследователи нацелились на регуляторные элементы перед laeA — участки, которые контролируют, насколько активно ген работает. Изменения там должны были «разбудить» молчащие пути.

Метаболомный профиль после редактирования показал: активировались биосинтетические пути, которые раньше почти не изучались. Из грибов выделили 18 новых метаболитов. Восемь из них, по мнению исследователей, имеют структуры, ранее не описанные в научной литературе. Три соединения проявили цитотоксическую активность, то есть убивали клетки. Одно из них показало избирательную токсичность против раковых клеток молочной железы, печени и лейкозных клеток человека.

Первый автор исследования Чуньсяо Сунь называет эти молекулы потенциальными «ведущими соединениями» для разработки лекарств. Сюэ Гао добавляет: это убедительное доказательство того, что следующее поколение жизненно важных терапевтических средств, возможно, уже существует в природе — нужно лишь научиться его доставать.

Что это меняет для поиска лекарств

До сих пор поиск новых природных соединений часто упирался в случайность: нужно было выращивать грибы в разных условиях, надеясь, что какой-то стресс включит нужный путь. Теперь появился инструмент, который позволяет целенаправленно включать целые группы генов. Это не просто новая технология редактирования — это способ систематически прочёсывать геномы грибов в поисках молекул с лекарственным потенциалом.

Интересно, что сама идея «разбудить» молчащие гены перекликается с давними наблюдениями: грибы в природе производят множество антибиотиков и токсинов, но в лаборатории почти всё это разнообразие исчезает. Теперь у учёных есть рычаг, чтобы вернуть его по требованию. И первые же результаты — три противораковых кандидата из 18 новых метаболитов — показывают, насколько плотной может быть эта жила.

Работа опубликована в журнале Nature Biotechnology. Авторы подчёркивают, что платформа fPE7max применима к разным видам нитчатых грибов, а не только к одному модельному организму. Это значит, что впереди — широкий скрининг грибных геномов, которые до сих пор оставались закрытой книгой.

Кстати, связь между природными молекулами и медициной не ограничивается грибами. Мы уже рассказывали, как космическое излучение могло повлиять на хиральность аминокислот — ту самую «левизну», от которой зависит работа всех белков, включая те, что становятся мишенями для лекарств. Понимание таких фундаментальных механизмов помогает и в поиске новых препаратов: чем точнее мы знаем, как устроены биомолекулы, тем легче найти соединение, которое вмешается в нужный процесс.

Остаётся открытым вопрос, насколько быстро новые грибные метаболиты пройдут путь от чашки Петри до клинических испытаний. Но сам факт, что редактирование грибов впервые позволило целенаправленно вскрыть их химический арсенал, уже меняет правила игры в поиске природных лекарств.