由圣彼得堡国立大学算法生物技术中心实验室主任帕维尔·佩夫兹纳领导的国际科学团队建立了一种用于搜寻环状肽的新算法,环状肽是一种包含多种知名抗生素的物质。这一新算法叫做CycloNovo,科学家们通过这一算法对人类粪便样品的质谱进行了分析并在其中找到了79种可以作为杀菌的物质。

研究结果发表在知名科学杂志《Cell Systems》。

当我们谈论抗生素时,我们首先想到的是可以在药店购买的药物。然而,抗生素就像是细菌之间用来互相厮杀的微型子弹。人类直接将其拿来并将这类生物活性物质的一部分用于自己的需要,比如抗感染。由于各种各样的微生物都能够生成类似的物质,这就会出现一个问题:我们肠管中的细菌(约上千种类型)是否也能生成抗生素呢?

在寻找这一问题的答案的过程中,由圣彼得堡国立大学算法生物技术中心实验室主任、加州大学圣地亚哥分校教授、生物信息学领域知名专家帕维尔·佩夫兹纳领导的国际科学团队建立了一种用于搜寻环状肽的新算法,这是一种在药理学上非常重要的物质,其中包含很多的知名抗生素、抗肿瘤化合物和免疫抑制素。相似分子形成的环形结构一方面赋予其重要的物理化学属性,让其能作为药物使用,另一方面,使得科学家很难在所研究的自然样品中发现它。

 grammicidin

短杆菌肽S是一种细菌所产生的一类抗生素,在第二次世界大战时期和青霉素一起用于伤员的治疗。

短杆菌肽S是一种典型的环状肽,由5种不同的氨基酸组成,每一种氨基酸在环链种重复两次。

从苏联科学家格奥尔基·高斯和玛莉亚·布拉日尼科瓦娅在1942年发现短杆菌肽S至今,共发现并记录了1200种环状肽。发现这类物质并确定其构造是十分困难的,这就使得发现每一种新的合成物都需要好几年的时间。生物技术和生物信息学领域在近几年的突破让我们离快速寻找未知环状肽的方法又近了一步。佩夫兹纳团队前不久在《Cell Systems》杂志上发表的文章中就描述了400多种环状肽。科学团队使用新的算法CycloNovo,花了几天的时间就在计算群集中发现了这些环状肽。在此期间处理了庞大的微生物和植物样本实验数据,这些数据都是科学家们之前获得并公开,以期望发现相应的处理算法。

cyclonovo

CycloNovo对现代高精质谱仪输入的数据进行分析,该仪器是一种非常灵敏的“分子秤”,能够将分子划分成很小的碎片并对其质量进行测量。通过对分子碎片质量的分析,CycloNovo可以确定什么样的质谱符合环状肽,而不是标准的线性化合物,然后揭示其结构,即氨基酸序列。整个过程就像大海捞针一样。尽管十几年前就提出了这样的计算课题,但直到现在才算完全解决。有趣的是,新的算法让人联想起解决基因组采集任务所使用的方法,这是完全不同的生物信息学领域,算法生物技术中心也为此做出了显著贡献。

CycloNovo在真实数据上的首次应用展示了其作为生物学家手中工具的实用性,并带来了从医学角度来看很有意义的结果。在程序的帮助下,对文章合著者拉里·司马尔在四年内收集的人类粪便样品的质谱进行了分析。结果令人意外地在其中发现了大量亚麻种子所特有的环状肽,而不是进入到人体微生物群的细菌所特有的环状肽。乍一看,这一发现对算法和整个研究工作的准确性提出了疑问。然而很快就弄明白,原来司马尔在自己的饮食中使用了亚麻油,而且使用亚麻油的时间与相应样品收集的日期一致。这样一来就首次证实了,食物中的环状肽在经过人类肠胃中的不利环境后,其结构能够得到保留。很有可能,环状肽就是亚麻种子抗菌活性的主要因素。另一项相当重要的实验结果是,亚麻种子的环状肽只是CycloNovo在所研究的粪便样品中发现的79种环状肽的一部分。对其生物学意义和功能的确定又是另一项课题,医学家和生物学家已经联手开展了研究工作。未来计划在现有的分析中加入处理从人体微生物组获取的额外类型数据的不同方法。

除了帕维尔·佩夫兹纳外,圣彼得堡国立大学的年轻科学家安德烈·普尔日别利斯基和阿列克谢·古列维奇。

准确又快速的算法是生物信息工具成功的保证。

算法生物技术中心Natural Products Discovery部门主任阿列克谢·古列维奇

 “然而这并不是它唯一的组成部分。最重要的是,制作的程序能够很容易使用。只有在这种情况下,它才能得到科学界的需要,才能带来真正的好处。和我们之前制作用于搜寻抗生素和其他生物活性物质的项目一样,我们制作的CycloNovo具有很强的便利性,就算计算机知识水平不高的科学家也能够使用。双击鼠标就能够启动程序,在互联网浏览器上就可以直接查看结果,不需要在自己的电脑上安装其他的东西”,算法生物技术中心Natural Products Discovery部门主任,物理数学副博士阿列克谢·古列维奇指出。

和佩夫兹纳、古列维奇和普尔日别利斯基一起研究CycloNovo的还有巴哈尔·别赫撒兹(加州大学圣地亚哥分校研究生)、加州大学圣地亚哥分校研究人员费尔南多·瓦尔加斯和教授拉里·司马尔,卡内基梅隆大学教授侯赛因·马西马尼,以及西澳大学博士约书亚·米尔恩和他的研究生马克·费舍尔。

该项目由俄罗斯科学基金会、加州大学圣地亚哥分校、美国国家卫生研究院、澳大利亚研究委员会和澳大利亚政府提供经费支持。