Frontiers in Microbiology

Einleitung

Actinomyceten sind allgegenwärtige grampositive Bakterien, die eine der größten Bakterienphyla mit charakteristischer filamentöser Morphologie und hoher G + C-DNA bilden. Die Actinomyceten wurden als Hauptquelle und Inspiration für einen erheblichen Teil der Antibiotika anerkannt, die eine wichtige Rolle für die menschliche Gesundheit spielen. Am auffälligsten ist, dass sich diese filamentösen Bakterien mit der Fülle biosynthetischer Gencluster entwickelt haben und damit ein beispielloses Potenzial bei der Herstellung biologisch aktiver Naturstoffgerüste aufweisen. In den letzten zwei Jahrzehnten haben sich die Pharmariesen jedoch von den Bemühungen zur Entdeckung mikrobieller Naturstoffe abgewandt, und solche Bemühungen florieren weiterhin in Forschungsinstituten mit vielversprechenden Ergebnissen. Die fortgesetzten Forschungsanstrengungen akademischer Forschungsinstitute mit postgenomischen technologischen Innovationen verjüngen die Naturstoffforschung und sind ein klarer Aufruf an die weltweiten Forscher, sich auf die mikrobielle Naturstoffforschung einzustellen.

Die klassische Actinomyceten-Forschung

Wenn wir auf etwa 76 Jahre Actinomyceten-Forschung zurückblicken, die sich auf die Jagd nach bioaktiven Metaboliten des Gemeinwohls konzentrierte, wurden über 5000 Verbindungen berichtet, die zur Entwicklung von 90% der kommerziellen Antibiotika beigetragen haben, die entweder für klinische oder Forschungszwecke verwendet werden. In diesem langen Verlauf entwickelte die Aktinomycetenforschung mehrere Aspekte von der Isolierung und dem Aktivitätsscreening bis zur modernen postgenomischen Sekundärmetabolitenforschung (Abbildung 1). Der erste Bericht von Streptomycin von Selman Waksman und Mitarbeitern in den 1940er Jahren und die anschließende Entwicklung als Arzneimittel ermutigten Pharmaunternehmen und Forscher, ihre groß angelegten Anstrengungen auf die Erforschung mikrobieller Naturstoffe zu konzentrieren (Demain und Sanchez, 2009). Die Bemühungen hingen weitgehend von der Rückgewinnung von Mikroorganismen aus verschiedenen Umweltproben und dem Screening auf die gewünschte Bioaktivität ab. Der Ansatz brachte die goldene Ära (1950-1970) der Entdeckung von Antibiotika ein, die durch die Kommerzialisierung mehrerer lebensrettender Antibiotika wie Streptomycin, Vancomycin, Rifamycin usw. belegt wurde (Mahajan und Balachandran, 2012). In den folgenden Jahrzehnten haben die Wiederentdeckung bekannter Verbindungen und die technischen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Reinigung und Strukturaufklärung neuer Verbindungen die klassischen Bemühungen weitgehend abgelehnt (Bérdy, 2012). Trotz des Nachweises eines Rückgangs der mikrobiellen Naturstoffforschung werden weitere Innovationen bei der Probenahme und Gewinnung potenzieller Actinomyceten aus bisher unerforschten Quellen von mehreren akademischen Forschungsgruppen fortgesetzt und die Risiken der Wiederentdeckung bekannter Verbindungen und der erhöhten Verfügbarkeit verschiedener Actinomyceten gemindert, die für die langfristige Actinomycetenforschung von grundlegender Bedeutung sind.

ABBILDUNG 1. Grafische Zusammenfassung der Forschung und Entwicklungen, die sich auf die Entdeckung von Antibiotika aus Actinomyceten über 76 Jahre konzentrierten. Hunting of antibiotics from actinomycetes has emanated with the discovery of actinomycin in 1940 (a) and lined up with several commercially important antibiotics and their derivatives: streptomycin (a), cephalosporins (b), Chloramphenicol (c), neomycin (d), tetracycline (e), nystatin (f), virginiamycin (g), erythromycin (h), lincomycin (i), vancomycin (j), noviobiocin (k), rifamycin (l), kanamycin (m), nalidixic acid (n), fusidic acid (o), gentamicin (p), trimethoprim (q), fostomycin (r), ribostamycin (s), mupiriocin (t), linezolid (u), daptomycin (v), and platensimycin (w). Die klassische Actinomycetenforschung wurde durch einen Isolierungs- und Aktivitätsscreening-Ansatz vorangetrieben. Während, moderne Actinomyceten Forschung wird durch eine Reihe von Durchbrüchen in der Genetik angetrieben, Genomik, Metagenomik, Genom-Mining und Bearbeitung und hochauflösende Metabolomik, in Verbindung mit klassischem Ansatz.

In Bearbeitung

Fortschritte sind in mehreren Aspekten der Aktinomycetenforschung von entscheidender Bedeutung, darunter (1) Isolierung und Dereplikation von Aktinomycetenisolaten, (2) Vorhersage und Identifizierung neuer Verbindungen, (3) Verbesserung der Produktionstiter potenzieller Verbindungen, (4) Aufdeckung von Genominformationen und des damit verbundenen Biosynthesepotenzials, (5) Sammlung und Verarbeitung von Genomdaten, (6) Abbau, Bearbeitung und heterologe Expression kryptischer Gencluster , und (7) umfassende metabolische Profilerstellung, unter einem breiten Spektrum von Hauptbereichen wie Genetik, Genomik und in: metabolomics.

Die Etablierung von Actinomycetenressourcen ist eine der Grundvoraussetzungen für die kulturabhängige Naturstoffforschung. Um diesem Problem zu begegnen, lernen Forscher, wie man die unerforschte Biodiversität der Actinomyceten in verschiedenen Umgebungen kultiviert, und solche Bemühungen haben zur Kultivierung zahlreicher neuartiger Actinomyceten aus marinen Sedimenten geführt (Becerril-Espinosa et al., 2013), hydrothermale Quellen (Thornburg et al., 2010), Sonnensalzen (Jose und Jebakumar, 2013), Wüstenböden (Mohammadipanah und Wink, 2016), rote Böden (Guo et al., 2015), Schwämme (Sun et al., 2015), Insekten (Matsui et al., 2012; Kurtböke et al., 2015) und Pflanzen (Masand et al., 2015). Andererseits hat die Dereplikation isolierter Stämme mit genspezifischen sowie metabolischen Fingerprinting-Ansätzen einen neuen Stellenwert erreicht (Hou et al., 2012; Forner et al., 2013). Gemeinsam erleichtert der gemeinsame Erfolg bei der Isolierung und Dereplikation die Priorisierung der Isolate, die zelluläre Fabriken mit der angeborenen biosynthetischen Fähigkeit zur Herstellung neuer Verbindungen sein könnten. Ein solcher Ansatz wurde praktiziert, um 64 charakteristische Actinomyceten aus 12 verschiedenen Meeresschwammarten zu isolieren und zwei einzigartige Stämme zu priorisieren, die eine anti-trypanosomale Aktivität sowie Einzigartigkeit im metabolomischen Profil und Reichtum an nicht identifizierten Naturstoffen zeigten (Cheng et al., 2015).

Die Vorhersage und Identifizierung neuer Verbindungen aus Actinomyceten, einschließlich solcher mit niedrigen Produktionstitern, ist durch das Aufkommen der hochauflösenden Flüssigkeitschromatographie-Massenspektrometrie (HR-LC-MS) und der verwandten Datenbanksuche (Tawfike et al., 2013; Doroghazi et al., 2014; Wu et al., 2016). Kürzlich haben Wu et al. (2016) konnten die Anwendbarkeit der NMR-basierten metabolischen Profiling-Methode demonstrieren, um die mikrobielle Biotransformation zu rationalisieren und die beste Erntezeit von Actinomyceten für die Antibiotikaproduktion zu bestimmen. Technische Durchbrüche auch im Verständnis der Genebene und der Rekombination von Produzentenstämmen bieten eine attraktive Möglichkeit, die Produktionstiter strukturell komplexer Naturstoffe durch mikrobielle Fermentation zu verbessern (Zhang et al., 2016).

Die Erforschung der Biologie der Sekundärmetabolitenproduktion in Actinomyceten durch Genetik hat einen wichtigen Beitrag zu unserem aktuellen Wissen geleistet. Dramatische und nachhaltige Zunahme des Verständnisses der Genetik und Enzymologie der Sekundärmetaboliten-Biosynthese in Actinomyceten, insbesondere Streptomyces in den 1990er Jahren haben auch die Ausdauer der Naturstoffsuche in dieser bewundernswerten Bakteriengruppe erleichtert. Als bemerkenswerte Grundlage wurde S. coelicolor A3 (2) genetisch als Modell für die Actinomyceten erkannt, und das gesamte Genom wurde mit vielseitiger In vivo- und In vitro-Genetik beschrieben (Bentley et al., 2002). Die Genomanalyse von S. coelicolor A3(2) hat die Fülle von bisher uncharakterisierten Genclustern, metabolischen Enzymen, insbesondere solchen, die wahrscheinlich an der Produktion von Naturprodukten beteiligt sind, aufgedeckt. Als neueste Errungenschaft wurde die marine Actinomyceten-Gattung Salinispora als robuster Modellorganismus für die Naturstoffforschung etabliert (Jensen et al., 2015). Es verfügt über bemerkenswerte Biosynthesekapazitäten mit 17 verschiedenen Biosynthesewegen, von denen nur vier mit ihren jeweiligen Produkten in Verbindung gebracht wurden.

Die Genominformationen von kultivierten und unkultivierten Actinomyceten werden zeitnah aktualisiert. Über 1304 Actinomyceten-Genome wurden im März 2016 gemeldet, und mit dem Aufkommen der Molekulargenetik und der Genomanalyse der nächsten Generation werden in naher Zukunft schnelle Einreichungen erwartet. Analysen von Genomen von Actinomyceten haben gezeigt, dass zahlreiche ‚kryptische‘ oder ‚verwaiste‘ biosynthetische Gencluster das Potenzial haben, die Produktion einer großen Anzahl neuartiger, strukturell vielfältiger Naturprodukte zu steuern (Challis, 2014; Gomez-Escribano et al., 2016). Anschließend Bergbau von Actinomyceten Genom hat neue Richtungen in die laufenden Bemühungen zur Wirkstoffentdeckung skizziert. Ein solcher Ansatz bestand darin, eine Sammlung von 10.000 Actinomyceten für neuartige Phosphonsäuren abzubauen und eine faszinierende Grundlage für die schnelle, groß angelegte Entdeckung anderer Klassen von Naturstoffen zu schaffen (Ju et al., 2015).

Verbesserungen in bioinformatischen Methoden, insbesondere spezifisch für die Identifizierung von Naturprodukt-Genclustern und funktionelle Vorhersagehilfen bei der Verarbeitung genomischer Massendaten von Actinomyceten (Alam et al., 2011; Doroghazi et al., 2014; Abdelmohsen et al., 2015). Es sind jedoch ausreichende Einblicke in die Biologie und Ökologie der Antibiotikaproduktion erforderlich, um die genauen Auslöser und Hinweise zu verstehen, die zur Aktivierung stiller Gencluster erforderlich sind (Abdelmohsen et al., 2015; Kolter und van Wezel, 2016).

Als großer Durchbruch verspricht das Aufkommen der RNA-geführten DNA-Editiertechnologie, die regelmäßig Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPRs) / Cas9 gruppiert, im Wesentlichen die Anwendung zur Genommodifikation in biosynthetischen Genclustern von Actinomyceten (Huang et al., 2015). Offensichtlich kann dieses molekulare Werkzeug beim Engineering von nicht-Modell-nativen Wirten zu heterologen Produktionswirten für die Biosynthese gewünschter Naturprodukte verwendet werden. Kontinuierliche technologische und konzeptionelle Fortschritte bei der Entwicklung mikrobieller Wirte werden Möglichkeiten eröffnen, das immens vielfältige chemische Repertoire der Natur vollständig zu erforschen und zu nutzen (Zhang et al., 2016).

Zukunftsperspektiven

Actinomyceten sind seit mehreren Jahrzehnten als führende Quelle für Biopharmazeutika, insbesondere Antibiotika, anerkannt. Unser Universum ist reich an verschiedenen unerforschten und wenig erforschten Umgebungen, die für die Isolierung neuartiger Mitglieder von Actinomyceten in Betracht gezogen werden könnten. Dies könnte unser Aktinomyceten-Repository mit einer kontinuierlichen Versorgung mit neuartigen biosynthetischen Genclustern und Naturstoffgerüsten ergänzen, an denen sich die aktuelle Forschung neu orientiert. Kontinuierliche Fortschritte in der Genomik und Metabolomik reservieren eine Naturstoffforschung der nächsten Generation und erschließen die breiteren Möglichkeiten zur Nutzung von Actinomyceten, die ein wichtiges Kapital für die Entdeckung pharmazeutisch wertvoller Verbindungen darstellen. Die technologischen und konzeptionellen Fortschritte werden einen Übergang von der „Suche nach gewünschten Naturprodukten“ zum „Entwerfen nach gewünschten Produkten“ von Actinomyceten vorantreiben. Durch diesen Artikel wird gezeigt, dass trotz eines vorläufigen Rückgangs der Actinomycetenforschung neue Wege offen sind und die aktive Aufmerksamkeit von Forschern auf der ganzen Welt suchen. Diese Länder, die mit den natürlichen Ressourcen gut ausgestattet sind, können die Forschung an mikrobiellen Naturstoffen finanzieren, insbesondere die Forschung an Aktinomyceten, um die Erfindungen neuartiger Antibiotika von industrieller Bedeutung zu erweitern, um die eskalierende mikrobielle Resistenz und Infektionskrankheiten zu bekämpfen.

Autorenbeiträge

Alle aufgeführten Autoren haben einen wesentlichen, direkten und intellektuellen Beitrag zum Werk geleistet und es zur Veröffentlichung freigegeben.

Finanzierung

Rat für wissenschaftliche und industrielle Forschung (CSIR; http://www.csir.res.in/), indische Regierung; Projektreferenz: BSC0106-BioprosPR und HRDG/CSIR-Nehru PDF LS/EMR-I/01/2015.

Interessenkonflikterklärung

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Bestätigungen

CSIR-CSMCRI Kommunikations-Nr.: PRIS-068/2016. Der Rat für wissenschaftliche und industrielle Forschung (CSIR; www.csir.res.in ), Regierung von Indien (BSC0106-BioprosPR) wird dankbar anerkannt. Das CSIR wird weiterhin von PJ für die Finanzierung durch das CSIR-Nehru Postdoctoral Research Fellowship (HRDG / CSIR-Nehru / LS / EMR-I / 01 / 2015) für seine Forschung an Actinomyceten und deren Sekundärmetabolismus anerkannt.