The bacterium Mycoplasma pneumoniae, one of the smallest known microbes and a mild disease-causing human pathogen, has 43% more genes than previously thought, according to the findings of a study published in the journal Nature Communications. The findings were made by researchers at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona.

“Given that M. pneumoniae is of the most well-studied living organisms in biology, it’s a surprise to find it has an entire hidden universe of proteins that was waiting to be discovered. E. coli, another well-known bacterium, has around four thousand protein-coding genes in its genome, while humans have twenty thousand. Both these numbers could be a significant underestimate,” explains Dr. Samuel Miravet Verde, first author of the paper.

The researchers were able to expand the known list of genes by developing a technique which can detect stretches of DNA which code for any protein, regardless of its size. Traditional methods are usually only good at detecting proteins which are at least 100 amino acids long. Small proteins which fall under this size are often overlooked in research because of these limitations.

The technique, called ProTInSeq, works by using DNA sequences which can move around in the genome, also known as transposons. The researchers engineered transposons to express a marker only if they insert into a part of the genome that's being used to make a protein. When combined with a method which can read huge amounts of DNA very quickly and accurately, researchers can see where the transposons have inserted themselves.

When combining traditional methods with the new technique and applying these to M. pneumoniae, the researchers identified most known genes and also revealed 302 new ones, all of which coded for small proteins. A quarter of the newly identified genes code for proteins with potential antimicrobial properties. These types of proteins offer a different mechanism of action against pathogens compared to traditional antibiotics, opening new avenues for tackling antibiotic resistance.

“With antibiotic resistance on the rise, finding new targets for antibiotic action is more critical than ever. The small proteins with antimicrobial properties we report are one way of tackling this emerging threat. Applying ProTInSeq to other types of bacteria could significantly accelerate the discovery process,” says Dr. Miravet Verde.

The study adds to the growing body of evidence of the tiny but mighty role exerted by small proteins in biology.

“Small protein-coding genes are like dark matter. One is essential for the structure of the cosmos, the other for the intricate complexity of life. They are both found in abundance yet are largely overlooked because they evade standard detection methods. By pushing the boundaries of technology, we’ve been able to explore the hidden realms in the genome in comprehensive detail. What we have yet to discover might outweigh what we currently understand,” concludes Dr. Luis Serrano, co-author of the paper and Director of the Centre for Genomic Regulation.

This project has received funding from the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme MYCOCHASSIS (670216) and ERC LUNG-BIOREPAIR (101020135) ERC Advanced Grants (AdG). We also acknowledge support of the Spanish Ministry of Science and Innovation through the Centro de Excelencia Severo Ochoa (CEX2020-001049-S, MCIN/AEI /10.13039/501100011033), the Generalitat de Catalunya through the CERCA programme and to the EMBL partnership.

EN CASTELLANO

El universo oculto de las proteínas bacterianas es mucho más grande de lo esperado

La bacteria Mycoplasma pneumoniae, uno de los microbios más pequeños conocidos y un patógeno que causa enfermedades leves, tiene un 43% más de genes de lo que se creía, según los hallazgos de un estudio publicado en la revista Nature Communications. El estudio fue realizado por un equipo científico del Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona.

"Dado que M. pneumoniae es uno de los organismos mejor estudiados en biología, es una sorpresa descubrir que tiene todo un universo oculto de proteínas que estaba esperando a ser descubierto. E. coli, otra bacteria muy conocida, tiene alrededor de cuatro mil genes codificadores de proteínas en su genoma, mientras que los humanos tienen veinte mil. Podríamos estar subestimando ambos números de manera significativa", explica el Dr. Samuel Miravet Verde, primer autor del artículo.

Los autores del estudio ampliaron la lista conocida de genes mediante el desarrollo de una técnica que puede detectar tramos de ADN que codifican para cualquier proteína, independientemente de su tamaño. Los métodos tradicionales solo pueden detectar proteínas que tienen al menos 100 aminoácidos de largo. Debido a estas limitaciones, las proteínas pequeñas, que caen por debajo de este umbral de tamaño, se pasan por alto.

La técnica, llamada ProTInSeq, funciona mediante el uso de secuencias de ADN que pueden moverse en el genoma, también conocidas como transposones. Los autores del estudio diseñaron transposones para expresar un marcador solo si se insertan en una parte del genoma que se está utilizando para producir una proteína. Cuando se combina con un método que puede leer grandes cantidades de ADN de forma muy rápida y precisa, permite ver dónde se han insertado los transposones.

Al combinar los métodos tradicionales con la nueva técnica y aplicarlos a M. pneumoniae, se pudo identificar la mayoría de los genes conocidos y también descubrir 302 genes nuevos, todos los cuales codificaban para proteínas pequeñas. Una cuarta parte de los genes recién identificados codifican para proteínas con posibles propiedades antimicrobianas. Este tipo de proteínas ofrecen un mecanismo de acción diferente contra los patógenos en comparación con los antibióticos tradicionales, lo que abre nuevas vías para abordar la resistencia a los antibióticos.

"Con el aumento de la resistencia a los antibióticos, encontrar nuevas moléculas para la acción antibiótica es más crítico que nunca. Las pequeñas proteínas con propiedades antimicrobianas que descubrimos son una forma de hacer frente a esta amenaza emergente. La aplicación de ProTInSeq a otros tipos de bacterias podría acelerar significativamente el proceso de descubrimiento", dice el Dr. Miravet Verde.

El estudio se suma  a las crecientes pruebas del pequeño pero poderoso papel que ejercen las proteínas pequeñas en la biología.

"Los pequeños genes que codifican para proteínas son como la materia oscura. Uno es esencial para la estructura del cosmos, el otro para la intrincada complejidad de la vida. Ambos se encuentran en abundancia, pero se pasan por alto en la ciencia porque evaden los métodos de detección estándar. Al ampliar los límites de la tecnología, hemos podido explorar el universo oculto del genoma en más detalle. Lo que aún falta por descubrir podría pesar más de lo que entendemos actualmente", concluye el Dr. Luis Serrano, coautor del artículo y director del Centro de Regulación Genómica.

Este proyecto ha recibido financiación del Consejo Europeo de Investigación (ERC, por sus siglas en inglés), en el marco de las ayudas ERC Advanced Grants MYCOCHASSIS (670216) y ERC LUNG-BIOREPAIR (101020135) del programa Horizonte 2020 de investigación e innovación de la Unión Europea. También ha recibido apoyo del Ministerio de Ciencia e Innovación del Gobierno de España a través de la distinción Centro de Excelencia Severo Ochoa (CEX2020-001049-S, MCIN/AEI /10.13039/501100011033), la Generalitat de Catalunya a través del programa CERCA y el partnership con el EMBL. 
 

EN CATALÀ

L'univers ocult de les proteïnes bacterianes és molt més gran del que s’esperava

El bacteri Mycoplasma pneumoniae, un dels microbis més petits coneguts i un patogen que causa malalties lleus, té un 43% més de gens del que es creia, segons les troballes d'un estudi publicat a la revista Nature Communications. L'estudi va ser realitzat per un equip científic del Centre de Regulació Genòmica (CRG), a Barcelona.

"Atès que M. pneumoniae és un dels organismes més ben estudiats en biologia, és una sorpresa descobrir que té tot un univers ocult de proteïnes que estava esperant a ser descobert. E. coli, un altre bacteri molt conegut, té al voltant de quatre mil gens codificadors de proteïnes en el seu genoma, mentre que els humans en tenen vint mil. Podríem estar subestimant tots dos nombres de manera significativa", explica el Dr. Samuel Miravet Verde, primer autor de l'article.

Els autors de l'estudi van ampliar la llista coneguda de gens mitjançant el desenvolupament d'una tècnica que pot detectar trams d'ADN que codifiquen per a qualsevol proteïna, independentment de la seva mida. Els mètodes tradicionals només poden detectar proteïnes que tenen almenys 100 aminoàcids de llarg. A causa d'aquestes limitacions, les proteïnes petites, que cauen per sota d'aquest llindar de mida, es passen per alt.

La tècnica, anomenada ProTInSeq, funciona mitjançant l'ús de seqüències d'ADN que poden moure's en el genoma, també conegudes com a transposons. Els autors de l'estudi van dissenyar transposons per expressar un marcador només si s'insereixen en una part del genoma que s'està utilitzant per produir una proteïna. Quan es combina amb un mètode que pot llegir grans quantitats d'ADN de forma molt ràpida i precisa, permet veure on s'han inserit els transposons.

En combinar els mètodes tradicionals amb la nova tècnica i aplicar-los a M. pneumoniae, es va poder identificar la majoria dels gens coneguts i també descobrir 302 gens nous, tots els quals codificaven per a proteïnes petites. Una quarta part dels gens acabats d’identificar codifiquen per a proteïnes amb possibles propietats antimicrobianes. Aquest tipus de proteïnes ofereixen un mecanisme d'acció diferent contra els patògens en comparació amb els antibiòtics tradicionals, cosa que obre noves vies per abordar la resistència als antibiòtics.

"Amb l'augment de la resistència als antibiòtics, trobar noves molècules per a l'acció antibiòtica és més crític que mai. Les petites proteïnes amb propietats antimicrobianes que descobrim són una forma de fer front a aquesta amenaça emergent. L'aplicació de ProTInSeq a altres tipus de bacteris podria accelerar significativament el procés de descobriment", diu el Dr. Miravet Verde.

L'estudi se suma a les proves creixents del petit però poderós paper que exerceixen les proteïnes petites en la biologia.

"Els petits gens que codifiquen per a proteïnes són com la matèria fosca. Un és essencial per a l'estructura del cosmos, l'altre per a la intricada complexitat de la vida. Tots dos es troben en abundància, però es passen per alt en la ciència perquè evadeixen els mètodes de detecció estàndard. En ampliar els límits de la tecnologia, hem pogut explorar l'univers ocult del genoma en més detall. El que encara falta per descobrir podria pesar més del que entenem actualment", conclou el Dr. Luis Serrano, coautor de l'article i director del Centre de Regulació Genòmica.

Aquest projecte ha rebut finançament del Consell Europeu de Recerca (ERC, per les seves sigles en anglès), en el marc dels ajuts ERC Advanced Grants MYCOCHASSIS (670216) i ERC LUNG-BIOREPAIR (101020135) del programa Horitzó 2020 de recerca i innovació de la Unió Europea. També ha rebut suport del Ministerio de Ciencia e Innovación del Gobierno de España a través de la distinció Centro de Excelencia Severo Ochoa (CEX2020-001049-S, MCIN/AEI /10.13039/501100011033), la Generalitat de Catalunya a través del programa CERCA i el partnership amb l'EMBL.