Press Release: Harnessing the Microbiomes of Soil Dwelling Creatures
MARISA BENNETT
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Even with insatiable curiosity driven by experiments and observation, science unfortunately cannot proceed without the support of money. Many of the pharmaceuticals and drugs commonly used today are the products of industry, rather than academia, which plays a small role (Frearson and Wyatt). In the past, industry has been a large producer of antibiotics, but the profits earned by manufacturing costly drugs are negligible, and the industry has since lost significant interest in production (Martens and Demain). Unfortunately, when now is the time that the CDC urges scientists and researchers to produce novel antibiotics, there is dwindling interest.
Photo URL: https://www.indoororganics.co.uk/product/steinernema-feltiae-x50000000/
Antibiotics are therapeutic drugs that are taken to combat bacterial infections; nevertheless, their prevalence has expanded their usage beyond medicine into agriculture. This prevalence has contributed to the ongoing medical crisis called the Antimicrobial Resistance (AMR) crisis (Thanner et al.). Antibiotics are indispensable to medicine because they have increased human life-spans and made medical procedures such as surgery possible (Martens and Demain). Although, some of bacteria’s astounding resilience has given them the capability to be impervious to these antibiotics, a phenomenon coined, resistance. Resistant bacteria not only threaten the lives of 23,000 Americans each year, they also threaten the collapse of our current medical system. Despite the large threats of bacterial resistance, little headway has been made with finding novel antibiotics that can fight these resistant bacteria. Does that mean all hope is lost? No. In fact, scientists have been using ingenuity to come up with solutions.
At this point a question may arise: why is there a lack of new antibiotics? A lack of novel antibiotics can be attributed to multiple factors. Socioeconomically, there has been less interest, profit, and more regulations associated with antibiotic production that deter scientists and industry from discovery. However, the current approaches to antibiotic discovery, may also be in need of reform. Dr. Kim Lewis states three main reasons why current approaches to antibiotic discovery are not as successful: 1) low penetrability, 2) lack of selectivity, and 3) limitations in current screening methods. A type of bacteria called “gram negative bacteria”, which are a major class of resistant bacteria, have thick layers of protection called an outerwall. In an article review, Dr. Marcelo Sousa recalls that the low penetrability of this layer is one reason potential antibiotic candidates fail to be effective. In regards to selectivity, an ideal antibiotic will differentiate both human cells and friendly bacteria that are crucial to our health (Yao et al.). However, this is not readily achievable. Lastly,the probability of finding new antibiotics using current screening methods is low. One predominant method, looks at the compounds a fungus, actinomyces, produces in response to bacteria (Martens and Demain)(Imai et al.). This is limited because these species are only exposed to a small fraction of a diverse array of microbes. For this reason, scientists have been exploring “unlikely” places for antibiotic production. One such place is the gut microbiome of soil-dwelling creatures.
Despite being seemingly lifeless, soil harbors a plethora of life that is bustling with microbes, worms, and insects. However, colonizing the soil is no easy feat. In fact, microbes dwelling in soil face intense competition for food and nutrients. To survive, microbes, many of which are bacteria, have acquired an artillery of antimicrobials. Insects and soil-dwelling worms rely heavily on their symbiotic relationship with microbes, to produce antimicrobials that protect the insects and worms against pathogens. One class of these antimicrobials are antibiotics.
For example, in a burrowing beetle’s gut, there are thousands of microbes providing protection against the pathogens these beetles encounter. The community of bacteria that colonize the beetle, called the microbiome, allow these burrowing beetles to eat corpses and feed these rotten foods to their offspring. For this reason, scientists in Giessen Germany thought that these burrowing beetles might have a unique microbiome capable of producing a wide array of antibiotics. After characterizing the gut microbiome of these burrowing beetles, the beetle’s bacterial community were exposed to human bacterial pathogens to determine if their microbiome would deter these harmful species. They found that the beetle’s microbiome was able to produce antimicrobials that prevented infection from these human bacterial pathogens. Future studies are now aimed at finding specific compounds produced by these microbes that could be reproduced for human therapeutics.
However, this is not the first study that found promising defense against resistant bacterial pathogens. Dr. Kim Lewis and his team of scientists found a new antibiotic called Darobactin in the gut of insect-killing worms. These worms, called nematodes, are ingested by insects in the soil. When the nematodes reach the intestines of the insect, they lay their eggs using the nutrients from the food the insect digests. Once the eggs hatch, the nematodes release a poison to the insect, killing it and releasing these nematodes back into the soil. The competition these worms have to overcome in the gut of the insect makes these worms a likely candidate to have novel antibiotic producing capabilities (Imai et al.). Indeed, this was the case. Having isolated the bacterial community of the nematodes, the Lewis Laboratory found a bacterial species producing these novel antibiotics. They furthered their studies in order to elucidate the mechanism whereby the antibiotic kills the pathogenic bacteria. The researchers were able to characterize the structure and function of this antibiotic, now called Darobactin.
These two studies show that future research can harness the promising potential of microbiomes to find new antibiotics. Paving the way for future antibiotic discovery, researchers are finding ways to screen new producers and tap into the diversity of microbes. The unique environments that these microbes survive in can lead to the production of unique compounds well suited for tackling human pathogens. Now scientists believe that to continue empowering medical advancement and to surmount the consequences of the AMR crisis, this new platform of discovery should become common practice. It is a reminder that even the remotest organisms have unimaginable insight into the biological world.
SOURCES
- Lewis, Kim. “The Science of Antibiotic Discovery.” Cell, vol. 181, no. 1, Cell Press, Apr. 2020, pp. 29–45, doi:10.1016/J.CELL.2020.02.056.
- Lewis, Kim. “The Science of Antibiotic Discovery.” Cell, vol. 181, no. 1, Cell, 2020, pp. 29–45, doi:10.1016/j.cell.2020.02.056.
- Frearson, Julie, and Paul Wyatt. “Drug Discovery in Academia- the Third Way?” Expert Opinion on Drug Discovery, vol. 5, no. 10, Europe PMC Funders, Oct. 2010, pp. 909–19, doi:10.1517/17460441.2010.506508.
- Heise, Philipp, et al. “Antibiotic-Producing Beneficial Bacteria in the Gut of the Burying Beetle Nicrophorus Vespilloides.” Frontiers in Microbiology, vol. 10, Frontiers, May 2019, p. 1178, doi:10.3389/fmicb.2019.01178.
- Martens, Evan, and Arnold L. Demain. “The Antibiotic Resistance Crisis, with a Focus on the United States.” The Journal of Antibiotics, vol. 70, no. 5, Nature Publishing Group, May 2017, pp. 520–26, doi:10.1038/ja.2017.30.
- Antimicrobials, Committee on New Directions in the Study of Antimicrobial Therapeutics: New Classes of. Challenges for the Development of New Antimicrobials— Rethinking the Approaches. National Academies Press (US), 2006, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK19843/.
- Imai, Yu, et al. “A New Antibiotic Selectively Kills Gram-Negative Pathogens.” Nature, vol. 576, no. 7787, Nature Publishing Group, Dec. 2019, pp. 459–64, doi:10.1038/s41586-019-1791-1.
- Thanner, Sophie, et al. “Antimicrobial Resistance in Agriculture.” MBio, edited by Fernando Baquero, vol. 7, no. 2, May 2016, doi:10.1128/mBio.02227-15.
Comunicado de prensa: El aprovechamiento de los microbiomas de las criaturas que viven en el suelo
MARISA BENNETT
Iuri Macedo Piovezan
Incluso con una curiosidad insaciable impulsada por los experimentos y la observación, la ciencia, lamentablemente, no puede continuar sin un apoyo monetario. Muchos de los productos farmacéuticos y medicamentos que se utilizan habitualmente en la actualidad son productos de la industria, en lugar de la academia, que desempeña un papel pequeño (Frearson y Wyatt). En el pasado, la industria ha sido un gran productor de antibióticos, pero las ganancias obtenidas por la fabricación de medicamentos costosos son insignificantes, y desde entonces la industria ha perdido un interés significativo en la producción (Martens y Demain). Desafortunadamente, siendo ahora el momento en el que los CDC instan a científicos y investigadores a producir nuevos antibióticos, es cuando hay menos interés.
Photo URL: https://www.indoororganics.co.uk/product/steinernema-feltiae-x50000000/
Los antibióticos son fármacos terapéuticos que se toman para combatir infecciones bacterianas; sin embargo, su prevalencia ha expandido su uso más allá de la medicina hacia la agricultura. Esta prevalencia ha contribuido a la crisis médica en curso llamada crisis de resistencia antimicrobiana (AMR, por sus siglas en inglés) (Thanner et al.). Los antibióticos son indispensables para la medicina porque han aumentado la esperanza de vida de las personas y han hecho posibles procedimientos médicos como la cirugía (Martens y Demain). Aunque, la asombrosa capacidad de recuperación de algunas bacterias les ha dado la capacidad de ser inmunes a estos antibióticos, un fenómeno llamado resistencia. Las bacterias resistentes no solo amenazan la vida de 23.000 estadounidenses cada año, sino que también amenazan el colapso de nuestro sistema médico actual. A pesar de las grandes amenazas de la resistencia bacteriana, se ha avanzado poco en la búsqueda de nuevos antibióticos que puedan combatir estas bacterias resistentes. ¿Significa eso que toda esperanza está perdida? No. De hecho, los científicos han estado usando su ingenio para encontrar soluciones.
A partir de este punto surge una pregunta: ¿por qué hay una carencia de nuevos antibióticos? Su falta se puede atribuir a múltiples factores. Socioeconómicamente, ha habido menos interés, ganancias y más regulaciones asociadas con la producción de antibióticos que frenan a los científicos y a la industria del descubrimiento. Sin embargo, los enfoques actuales para el descubrimiento de antibióticos también pueden necesitar una reforma. El Dr. Kim Lewis establece tres razones principales por las que los enfoques actuales para el descubrimiento de antibióticos no son tan exitosos: 1) baja penetrabilidad, 2) falta de selectividad y 3) limitaciones en los métodos de métodos de cribado actuales. Un tipo de bacteria llamada "bacteria gram negativa", que es una clase importante de bacteria resistente, tiene capas gruesas de protección llamadas pared externa. En una revisión de un artículo, el Dr. Marcelo Sousa nos hace recordar que la baja penetrabilidad de esta capa es una de las razones por las que los posibles candidatos a antibióticos no son efectivos. En cuanto a la selectividad, un antibiótico ideal diferenciará tanto las células humanas como las bacterias amistosas que son cruciales para nuestra salud (Yao et al.). Sin embargo, esto no se puede lograr fácilmente. Por último, la probabilidad de encontrar nuevos antibióticos utilizando los métodos de detección actuales es baja. Un método predominante analiza los compuestos que produce un hongo, actinomyces, en respuesta a bacterias (Martens y Demain) (Imai et al.). La función de este método está limitada porque es limitado porque estas especies solo están expuestas a una pequeña fracción de una variedad diversa de microbios. Por esta razón, los científicos han estado explorando lugares "poco probables" para la producción de antibióticos. Uno de esos lugares es el microbioma intestinal de las criaturas que viven en el suelo.
A pesar de no tener vida, el suelo alberga una gran cantidad de vida repleta de microbios, gusanos e insectos. Sin embargo, colonizar el suelo no es tarea fácil. De hecho, los microbios que habitan en el suelo se enfrentan a una intensa competición por los alimentos y los nutrientes. Para sobrevivir, los microbios, muchos de los cuales son bacterias, han adquirido una artillería de antimicrobianos. Los insectos y los gusanos que viven en el suelo dependen en gran medida de su relación simbiótica con los microbios para producir antimicrobianos que protegen a los insectos y gusanos contra los patógenos. Una clase de estos antimicrobianos son los antibióticos.
Por ejemplo, en el intestino de un escarabajo excavador, hay miles de microbios que los protegen de los patógenos que estos escarabajos encuentran. La comunidad de bacterias que coloniza el escarabajo, llamada microbioma, permite que estos escarabajos excavadores coman cadáveres y alimenten a sus crías con estos alimentos podridos. Por esta razón, los científicos de Giessen, Alemania, pensaron que estos escarabajos excavadores podrían tener un microbioma único capaz de producir una amplia gama de antibióticos. Después de caracterizar el microbioma intestinal de estos escarabajos excavadores, la comunidad bacteriana del escarabajo estuvo expuesta a patógenos bacterianos humanos para determinar si su microbioma frenaría a estas especies dañinas. Los científicos descubrieron que el microbioma del escarabajo podía producir antimicrobianos que evitaban la infección por estos patógenos bacterianos humanos. Los estudios futuros ahora tienen como objetivo encontrar compuestos específicos producidos por estos microbios que podrían reproducirse para terapias en humanos.
Sin embargo, este no es el primer estudio que encontró un mecanismo de defensa prometedor contra patógenos bacterianos resistentes. El Dr. Kim Lewis y su equipo de científicos encontraron un nuevo antibiótico llamado darobactin en el intestino de gusanos que matan insectos. Estos gusanos, llamados nematodos, son ingeridos por insectos en el suelo. Cuando los nematodos llegan a los intestinos del insecto, ponen sus huevos utilizando los nutrientes de la comida que el insecto digiere. Una vez que los huevos eclosionan, los nematodos liberan un veneno al insecto, lo matan y liberan estos nematodos nuevamente en el suelo. La competencia que estos gusanos tienen que superar en el intestino del insecto hace que estos gusanos sean un candidato probable para tener nuevas capacidades de producción de antibióticos (Imai et al.). De hecho, este era el caso. Habiendo aislado la comunidad bacteriana de los nematodos, el Laboratorio Lewis encontró una especie bacteriana que producía estos nuevos antibióticos. Con eso, ellos continuaron sus estudios para dilucidar el mecanismo por el cual el antibiótico mata a las bacterias patógenas. Los investigadores pudieron caracterizar la estructura y función de este antibiótico, ahora llamado darobactin.
Estos dos estudios muestran que la investigación futura puede aprovechar el potencial prometedor de los microbiomas para encontrar nuevos antibióticos. Al allanar el camino para futuros descubrimientos de antibióticos, los investigadores están encontrando formas de seleccionar nuevos productores y aprovechar la diversidad de los microbios. Los entornos únicos en los que estos microbios sobreviven pueden conducir a la producción de compuestos únicos adecuados para combatir los patógenos humanos. Ahora los científicos creen que para continuar potenciando el avance médico y superar las consecuencias de la crisis de la resistencia a los antimicrobianos, esta nueva plataforma de descubrimiento debería convertirse en una práctica común. Es un recordatorio de que incluso los organismos más remotos tienen una visión inimaginable del mundo biológico.