Opin vísindi

Creation of Diverse Microbial Libraries for Drug Discovery using MALDI-TOF/IDBac

Creation of Diverse Microbial Libraries for Drug Discovery using MALDI-TOF/IDBac


Title: Creation of Diverse Microbial Libraries for Drug Discovery using MALDI-TOF/IDBac
Alternative Title: Uppsetning bakteríustofnasafns til lyfjaþróunar með aðstoð MALDI-TOF MS / IDBac tækn
Author: Costa, Maria
Advisor: Sesselja Ómarsdóttir
Date: 2019-06
Language: English
University/Institute: Háskóli Íslands
University of Iceland
School: Heilbrigðisvísindasvið (HÍ)
School of Health Sciences (UI)
Department: Lyfjafræðideild (HÍ)
Faculty of Pharmaceutical Sciences (UI)
ISBN: 978-9935-9445-2-8
Subject: Náttúruefni (lyfjafræði); Lyfjagerð; Upplýsingatækni; Massagreining; Lyfjafræði; Doktorsritgerðir
URI: https://hdl.handle.net/20.500.11815/1175

Show full item record

Abstract:

 
In the course of a nearly century-long global effort to discover new bacterialderived drugs from the environment, there have been few innovations to the way that researchers have collected samples and subsequently created microbial libraries sourced for therapeutic discovery. Virtually every stage of the natural products (NP) drug discovery process has undergone a renaissance in method innovation: analytical detection of NPs, bioinformaticdriven discovery of NPs, detection, modification and expression of NP biosynthetic gene clusters, structure elucidation and dereplication of NPs and NP biological activity screening. Despite these advances, the philosophy we use to create microbial strain libraries from the environment (arguably the most important step) has seen little change in nearly eight decades of biomedical research. As a result, it is difficult to discover novel antibiotic scaffolds due to the degree of taxonomic and chemical redundancy that exists in these strain libraries, which has led to a divestment in microbialbased natural product drug discovery. To address the need for creating libraries with minimal taxa and NP overlap from environmental samples, we developed a high-throughput matrix assisted laser desorption ionization mass spectrometry (MALDI-TOF MS) based bioinformatics pipeline (IDBac) that allows us to readily group bacterial colonies by putative taxonomic identity and further discriminate them based on in situ natural product production. In addition to this, using a collection expedition to Iceland as an example, we purified all distinguishable bacterial colonies (1,616 total) off of isolation plates derived from 86 environmental samples and we employed the mass spectrometry (MS) based-IDBac workflow on these isolates to form groups of taxa (based on protein MS fingerprints; 3,000-15,000 Da), and further distinguished taxa subgroups based on their degree of overlap within corresponding natural product spectra (200-2,000 Da). This informed the decision to create a library of 301 isolates spanning 54 genera. This process required only 25 hours of data acquisition and 2 hours of analysis. In a separate experiment using isolates from previous expeditions to Iceland, we reduced the size of an existing library from 833 to 233 isolates, a 72.0% reduction. This pipeline minimizes library entries and costs associated with library generation, and maximizes chemical space entering into downstream biological screening efforts. This workflow represents a significant advance toward front-end discovery efforts, thereby removing serendipity from library generation.
 
Þrátt fyrir að leit eftir nýjum sýklalyfjum úr náttúrunni hafi staðið yfir í nærri heila öld, hafa fáar nýjungar litið dagsins ljóss þegar kemur að söfnun baktería úr umhverfinu og uppsetningu sýnasafna í þeim tilgangi að leita lyfjavirkra efna úr þeim. Flestar aðferðir og aðferðafræðin sem notuð er við leit að lyfjavirkum náttúruefnum hefur þróast umtalsvert og má þar t.d. nefna efnagreiningar náttúruefna, leitina að nýjum náttúruefnum með hjálp lífupplýsingafræði, greiningar á breytingum og tjáningu á erfðaklösum sem tjá náttúruefni, aðferðir við ákvörðun sameindabygginga auk aðferða sem miða að því að koma í veg fyrir enduruppgötvun þekktra efnasambanda (e. dereplication), ásamt skimunaraðferðum í lífvirkniprófunum. Þrátt fyrir stórstígar framfarir á þessum sviðum undanfarna áratugi hafa litlar framfarir orðið í því hvernig bakteríusýnasöfn eru byggð upp sem má þó e.t.v. telja eitt mikilvægasta skrefið í þessu ferli. Sökum einleitni tegunda og efnaflokka í þessum bakteríusöfnum hefur reynst erfitt að uppgötva ný og áður óþekkt sýklahemjandi efnasambönd úr þeim. Markmið þessa verkefnis var að setja upp bakteríustofnasafn með lágmarksskörun hvað varðar bakteríutegundir og innihaldsefni. Bakteríurnar fengust úr fjölbreyttum sýnum sem safnað var úr náttúrunni og háhraða MALDI-TOF massagreiningaðferð og lífupplýsingatækni (IDBac) var nýtt til að flokka saman bakteríukólóníur samkvæmt tegundaröðun og aðgreina þær frekar eftir því hvaða náttúruefni þær framleiða in situ. Þar að auki voru 1616 bakteríukóloníur úr 86 sýnum sem eiga rætur sínar að rekja til söfnunarferða um Ísland og úr sjónum í kringum Ísland, einangraðar af ræktunarskálum. Massagreining (MS) tengd lífupplýsingatækni (IDBac) var notuð til að flokka bakteríurnar niður eftir massagreiningarrófum af próteinum með mólþunga 3000-15000 Da. Þær voru síðan flokkaðar frekar niður í undirflokka með því að tengja saman massagreiningarróf af náttúrefnum sem þær framleiða á mólþungabilinu 200- 2000 Da við fyrri róf. Að lokum voru þessar upplýsingar nýttar til að útbúa sýnasafn með 301 einangruðum bakteríum sem náðu yfir 54 ættkvíslir. Söfnun þessara niðurstaðna tók 25 tíma og tveir tímar fóru í greiningarvinnu. Í annarri tilraun sem framkvæmd var á einangruðum bakteríustofnum úr fyrri söfnunarleiðöngrum á Íslandi, tókst að minnka sýnasafnið úr 833 í 233 sem samsvarar 72% fækkun stofna. Með þessu móti er hægt að lágmarka þann fjölda sem fer inn í bakteríustofnasýnasöfn og þar með þann kostnað sem fylgir, hámarka efnafræðilegan fjölbreytileika og lágmarka upphreinsun á efnum og skimun fyrir lífvirkni. Þessi verkferill sýnir að með því að útbúa betri sýnasöfn er mögulegt að bæta ferilinn við uppgötvun lyfjaefna úr bakteríum til muna og stuðla að markvissari útkomu við skimun sýnasafnanna.
 

Files in this item

This item appears in the following Collection(s)