You are here

    • You are here:
    • Home > Charting metabolic maps in the pursuit of new vaccines and antimicrobials

Charting metabolic maps in the pursuit of new vaccines and antimicrobials

NEWS

02
Jun
Tue, 02/06/2020 - 17:25

Charting metabolic maps in the pursuit of new vaccines and antimicrobials

EN CASTELLANO/EN CATALÀ

  • A study in Cell Reports maps genes essential for the metabolic function of M. agalactiae and M. pneumoniae, two common bacteria that infect livestock and humans respectively
  • The map of M. agalactiae reveals new insights that unlocks routes to explore new vaccines and antimicrobials for veterinary applications
  • The results can also be used to finetune a re-engineered version of M. pneumoniae so that it can treat human lung diseases in the future
  • The new methods used in the study are a useful tool for other researchers to quickly evaluate a microorganism’s active metabolism, boosting chances of finding new applications using microbes

Bacteria are versatile living organisms that can colonise a huge range of environments, hosts, or tissues within a host. Much of this success is thanks to their metabolic plasticity, which has been shaped by evolution over millions of years.

Microbial metabolic pathways can be exploited for industrial applications, such as using bacteria to dye jeans with their trademark indigo hue. It is also increasingly important in healthcare, with previous studies linking microbiome metabolism with the human body’s ability to absorb therapeutic drugs.

Current approaches to charting microbial metabolic pathways are expensive, tedious and time consuming, hindering the development of new applications such as vaccines or antimicrobial substances. New tools are needed to build an accurate map of all the chemical reactions that take place in a particular strain of bacteria with no dead ends or futile loops.

In a study published today in the journal Cell Reports, researchers at the Centre for Genomic Regulation (CRG), in Barcelona, describe a new method for determining active metabolic pathways in microbes using cutting-edge techniques from genomics and proteomics.

The researchers first tested their methods by mapping the metabolic pathways of Mycoplasma pneumoniae, a bacterium with a small genome that commonly causes mild infections of the respiratory system, and whose metabolism has been comprehensively documented in the past. Its active metabolic pathways agreed with experimental data.

They then used the same methods to document the relatively unknown pathways of Mycoplasma agalactiae, a common source of infections in goats and sheep with significant health and economic ramifications for livestock. Despite M. agalactiae and M. pneumoniae sharing much of each other’s genome, their metabolisms took substantially different pathways, highlighting the complexity of predicting metabolic networks based on genomic information alone.

“Microorganisms are a treasure trove for finding new applications for healthcare and industry. Having new tools to capture a global picture of the activity and directionality of microbial metabolic networks is key to making the most of these natural resources,” says Ariadna Montero Blay, PhD student at the Centre for Genomic Regulation and first author of the study.

“Our findings for Mycoplasma agalactiae could have a great impact in the veterinary field in the generation of novel antimicrobials based on toxic metabolites or attenuated vaccination strains with knock-down of essential metabolic genes or re-engineered metabolic fluxes.”

The results of the study may be used to finetune a re-engineered version of M. pneumoniae so that it may one day be used to treat human lung diseases, a long-term objective of the research group.

“While this is still years away, we can use these methods to identify important metabolic routes and block them, which could increase the specificity and effectiveness of using Mycoplasma as a live pill,” says Luis Serrano, ICREA Research Professor, Director of the CRG and last author of the study. “Our study highlights the ingenious new methods in science that are reducing time and costs and accelerating new discoveries.”

EN CASTELLANO

Investigadores trazan mapas metabólicos para identificar nuevas vacunas y agentes antimicrobianos

  • Un estudio de Cell Reports mapea los genes esenciales de la función metabólica de M. agalactiae y M. pneumoniae, dos bacterias comunes que infectan al ganado y a los humanos
  • El mapa de M. agalactiae revela nuevos conocimientos que desbloquean rutas para explorar nuevas vacunas y agentes antimicrobianos para aplicaciones veterinarias.
  • Los resultados del estudio también se podrán usar para ajustar una versión rediseñada de M. pneumoniae que pueda tratar enfermedades pulmonares humanas en el futuro
  • Los nuevos métodos empleados en el estudio son útiles para que otros investigadores evalúen con rapidez el metabolismo activo de un microorganismo, aumentando las posibilidades de encontrar nuevas aplicaciones usando microbios

Las bacterias son seres vivos versátiles que pueden colonizar una gran variedad de entornos ambientales, huéspedes o tejidos en un húesped. Gran parte de su éxito se debe a su plasticidad metabólica, que ha sido moldeada por la evolución durante millones de años.

Las vías metabólicas microbianas pueden explotarse para aplicaciones industriales, como el uso de bacterias para teñir vaqueros con su característico tono azul. También es cada vez más importante en el cuidado de la salud, ya que existen estudios previos que vinculan el metabolismo del microbioma con la capacidad del cuerpo humano para absorber medicamentos terapéuticos.

Los enfoques actuales para cartografiar las rutas metabólicas microbianas son caros, tediosos y lentos, lo que dificulta el desarrollo de nuevas aplicaciones, como vacunas o agentes antimicrobianos. Se necesitan nuevas herramientas para construir un mapa preciso de todas las reacciones químicas que tienen lugar en una cepa particular de bacterias en que no haya callejones sin salida o bucles inútiles.

En un estudio publicado hoy en la revista Cell Reports, los investigadores del Centro de Regulación Genómica (CRG), en Barcelona, describen un nuevo método para determinar las vías metabólicas activas en microbios utilizando técnicas de vanguardia en genómica y proteómica.

Los investigadores primero probaron sus métodos mapeando las rutas metabólicas de Mycoplasma pneumoniae, una bacteria con un genoma pequeño que comúnmente causa infecciones leves del sistema respiratorio y cuyo metabolismo ha sido ampliamente documentado en el pasado. Sus vías metabólicas activas coincidieron con los datos experimentales.

Luego utilizaron los mismos métodos para documentar las vías relativamente desconocidas de Mycoplasma agalactiae, una fuente común de infecciones en cabras y ovejas con importantes ramificaciones sanitarias y económicas para el ganado. A pesar de que M. agalactiae y M. pneumoniae comparten gran parte de su genoma, sus metabolismos toman caminos muy diferentes, destacando la complejidad de predecir redes metabólicas basadas solo en información genómica.

“Los microorganismos son un tesoro oculto para encontrar nuevas aplicaciones para la salud y la industria. Tener nuevas herramientas para capturar una imagen global de la actividad y la direccionalidad de las redes metabólicas microbianas es clave para aprovechar al máximo estos recursos naturales ", comenta Ariadna Montero Blay, estudiante de doctorado en el Centro de Regulación Genómica y primera autora del estudio.

"Nuestros hallazgos sobre Mycoplasma agalactiae podrían tener un gran impacto en el ámbito veterinario en la generación de nuevos agentes antimicrobianos basados ​​en metabolitos tóxicos o cepas de vacunación atenuadas con la eliminación de genes metabólicos esenciales o flujos metabólicos rediseñados".

Los resultados del estudio se pueden usar para ajustar una versión rediseñada de M. pneumoniae para que algún día se pueda usar para tratar enfermedades pulmonares humanas, un objetivo a largo plazo del grupo de investigación.

"Si bien aún faltan años, podemos utilizar estos métodos para identificar rutas metabólicas importantes y bloquearlas, lo que podría aumentar la especificidad y la eficacia del uso de Mycoplasma como una píldora viva", dice Luis Serrano, profesor de investigación ICREA, director del CRG y autor principal del estudio. "Nuestro estudio destaca los nuevos métodos ingeniosos en ciencia que están reduciendo el tiempo y los costos y acelerando nuevos descubrimientos".

EN CATALÀ

Investigadors tracen mapes metabòlics per identificar noves vacunes i agents antimicrobians

  • Un estudi de Cell Reports identifica els gens essencials de la funció metabòlica d’ M. agalactiae i M. pneumoniae, dos bacteris comuns que infecten el bestiar i els humans
  • El mapa d’ M. agalactiae revela nous coneixements que desbloquegen rutes per explorar noves vacunes i agents antimicrobians per a aplicacions veterinàries
  • Els resultats de l’estudi també es podran emprar per ajustar una versió redissenyada d’M. pneumoniae que pugui tractar malalties pulmonars humanes en el futur
  • Els nous mètodes emprats en l’estudi són útils per a què d’altres investigadors avaluïn amb rapidesa el metabolisme actiu d’un microorganisme, augmentant les possibilitats de trobar noves aplicacions usant microbis

Els bacteris són éssers vius versàtils que poden colonitzar una gran varietat d’entorns ambientals, hostes o teixits en un hoste. Gran part del seu èxit es deu a la seva plasticitat metabòlica, que ha estat modelada per l’evolució durant milions d’anys.

Les vies metabòliques microbianes poden explotar-se per a aplicacions industrials, com ara l’ús de bacteris per tenyir texans amb el seu característic to blau. També és cada cop més important en la cura de la salut, ja que existeixen estudis previs que vinculen el metabolisme del microbioma amb la capacitat del cos humà per absorbir medicaments terapèutics.

Els enfocaments actuals per cartografiar les rutes metabòliques microbianes són cars, tediosos i lents, el que dificulta el desenvolupament de noves aplicacions, com ara vacunes o agents antimicrobians. Es necessiten noves eines per construir un mapa precís de totes les reaccions químiques que es produeixen en una soca particular de bacteris on no hi hagi carrers sense sortida o bucles inútils.

En un estudi publicat avui a la revista Cell Reports, els investigadors del Centre de Regulació Genòmica (CRG), a Barcelona, descriuen un nou mètode per determinar les vies metabòliques actives en microbis, emprant tècniques d’avantguarda en genòmica i proteòmica.

Els investigadors primer provaren els seus mètodes traçant les rutes metabòliques de Mycoplasma pneumoniae, un bacteri amb un genoma petit que comunament causa infeccions lleus del sistema respiratori i el metabolisme del qual ha estat àmpliament documentat en el passat. Les seves vies metabòliques actives coincidiren amb les dades experimentals.

Després, empraren els mateixos mètodes per documentar les vies relativament desconegudes de Mycoplasma agalactiae, una font comuna d’infeccions en cabres i ovelles amb importants ramificacions sanitàries i econòmiques pel bestiar. Tot i que M. agalactiae y M. pneumoniae comparteixen gran part del seu genoma, els seus metabolismes prenen camins molt diferents, destacant la complexitat de predir xarxes metabòliques basades només en informació genòmica.

“Els microorganismes són un tresor ocult per trobar noves aplicacions per a la salut i la indústria. Tenir noves eines per capturar una imatge global de l’activitat i la direccionalitat de les xarxes metabòliques microbianes és clau per aprofitar al màxim aquests recursos naturals”, comenta Ariadna Montero Blay, estudiant de doctorat al Centre de Regulació Genòmica (CRG) i primera autora de l’estudi. “Les nostres troballes sobre Mycoplasma agalactiae podrien tenir un gran impacte en l’àmbit veterinari i en la generació de nous agents antimicrobians basats en metabòlits tòxics o soques de vacunació atenuades amb l’eliminació de gens metabòlics essencials o fluxos metabòlics redissenyats”.

Els resultats de l’estudi es poden utilitzar per ajustar una versió redissenyada d’ M. pneumoniae per a què algun dia es pugui emprar per a tractar malalties pulmonars humanes, un objectiu a llarg termini del grup de recerca.

“Tot i que encara falten anys, podem emprar aquests mètodes per a identificar rutes metabòliques importants i bloquejar-les, fet que podria augmentar l’especificitat i l’eficàcia de l’ús de Mycoplasma com a una píndola viva”, diu Luis Serrano, professor de recerca ICREA , director del CRG i autor principal de l’estudi. “El nostre estudi destaca els nous mètodes enginyosos en ciència que estan reduint el temps i els costos, i accelerant nous descobriments”.