Frontiers in Microbiology

Introducción

Los actinomicetos son bacterias grampositivas ubicuas que constituyen uno de los filamentos bacterianos más grandes con morfología filamentosa característica y ADN de G+C elevado. Los actinomicetos han sido reconocidos como fuente principal e inspiración para una fracción sustancial de antibióticos que desempeñan un papel importante en la salud humana. El hecho más sorprendente es que estas bacterias filamentosas han evolucionado con la riqueza de grupos de genes biosintéticos y, por lo tanto, muestran un potencial sin precedentes en la producción de andamios de productos naturales biológicamente activos. Sin embargo, en las últimas dos décadas, los gigantes farmacéuticos se han alejado de los esfuerzos de descubrimiento de productos naturales microbianos, y estos esfuerzos continúan floreciendo en los institutos de investigación con resultados prometedores. Los continuos esfuerzos de investigación de los institutos de investigación académicos, con innovaciones tecnológicas postgenómicas, rejuvenecen la investigación de productos naturales y constituyen una llamada de atención a los investigadores de todo el mundo para que se sintonicen con la investigación de productos naturales microbianos.

La investigación Clásica de Actinomicetos

Si miramos hacia atrás a unos 76 años de investigación de actinomicetos que se centraron en la caza de metabolitos bioactivos de bienestar público, se han reportado más de 5000 compuestos que contribuyeron al desarrollo del 90% de los antibióticos comerciales que se utilizan para necesidades clínicas o de investigación. En este largo curso, la investigación de actinomicetos evolucionó en varios aspectos, desde el aislamiento y el cribado de actividad hasta la moderna investigación de metabolitos secundarios postgenómicos (Figura 1). El primer informe de estreptomicina de Selman Waksman and associates en la década de 1940 y su posterior desarrollo como fármaco animaron a las compañías farmacéuticas e investigadores a poner sus esfuerzos a gran escala en la investigación de productos naturales microbianos (Demain y Sánchez, 2009). Los esfuerzos dependían en gran medida de la recuperación de microorganismos de diversas muestras ambientales y de la detección de la bioactividad deseada. El enfoque trajo la era dorada (1950-1970) del descubrimiento de antibióticos evidenciado por la comercialización de varios antibióticos que salvan vidas, como la estreptomicina, la vancomicina, la rifamicina, etc. (Mahajan y Balachandran, 2012). En décadas posteriores, el redescubrimiento de compuestos conocidos y los desafíos técnicos asociados con la purificación y elucidación de estructuras de nuevos compuestos disminuyeron en gran medida los esfuerzos clásicos (Berdy, 2012). A pesar de la evidencia de una disminución en la investigación de productos naturales microbianos, varios grupos de investigación académicos continúan con las innovaciones continuas en el muestreo y la adquisición de actinomicetos potenciales de fuentes previamente inexploradas y mitigan los riesgos del redescubrimiento de compuestos conocidos y la mayor disponibilidad de diversos actinomicetos que son asuntos fundamentales para la investigación de actinomicetos a largo plazo.FIGURA

GRÁFICO 1 Resumen gráfico de la investigación y los desarrollos centrados en el descubrimiento de antibióticos de actinomicetos a lo largo de 76 años. 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). La investigación clásica de actinomicetos fue impulsada por el aislamiento y el enfoque de detección de actividad. Considerando que, la investigación moderna de actinomicetos está impulsada por una serie de avances en genética, genómica, metagenómica, minería y edición del genoma y metabolómica de alta resolución, en asociación con el enfoque clásico.

En curso

El progreso es crucial en varios aspectos de la investigación de actinomicetos que incluyen (1) aislamiento y desreplicación de aislados de actinomicetos, (2) predicción e identificación de compuestos nuevos, (3) mejora de los títulos de producción de compuestos potenciales, (4) descubrimiento de información genómica y potencial biosintético asociado, (5) recopilación y procesamiento de datos genómicos, (6) extracción, edición y expresión heteróloga de grupos de genes crípticos, y (7) elaboración de perfiles metabólicos completos, en un amplio espectro de áreas principales, como la genética, la genómica y metabolómica.

Establecer recursos de actinomicetos es uno de los requisitos básicos para la investigación de productos naturales dependientes del cultivo. Para abordar esto, los investigadores están aprendiendo a cultivar la biodiversidad de actinomicetos inexplorados en diversos entornos y tales esfuerzos han llevado al cultivo de numerosos actinomicetos nuevos de sedimentos marinos (Becerril-Espinosa et al., 2013), respiraderos hidrotermales (Thornburg et al., 2010), salinas solares (José y Jebakumar, 2013), suelos desérticos (Mohammadipanah y Wink, 2016), suelos rojos (Guo et al., 2015), esponjas (Sun et al., 2015), insectos (Matsui et al., 2012; Kurtböke et al., 2015), y plantas (Masand et al., 2015). Por otro lado, la desreplicación de cepas aisladas ha alcanzado un nuevo tono con enfoques específicos de genes y de huellas dactilares metabólicas (Hou et al., 2012; Forner et al., 2013). Colectivamente, el éxito unido en aislamiento y desreplicación facilita la priorización de los aislamientos que podrían ser fábricas celulares con la capacidad biosintética innata para producir compuestos nuevos. Uno de estos enfoques se ha practicado para aislar 64 actinomicetos distintivos de 12 especies de esponjas marinas diferentes, y para priorizar dos cepas únicas que mostraron actividad antitripanosómica, así como singularidad en el perfil metabolómico y riqueza de productos naturales no identificados (Cheng et al., 2015).

La predicción e identificación de nuevos compuestos a partir de actinomicetos, incluidos aquellos con títulos de baja producción, se han vuelto relativamente sencillos a través de la llegada de la cromatografía líquida de alta resolución y la espectrometría de masas (HR-LC-MS) y la búsqueda en bases de datos aliadas (Tawfike et al., 2013; Doroghazi et al., 2014; Wu et al., 2016). Recientemente, Wu et al. (2016) pudieron demostrar la empleabilidad del método de perfil metabólico basado en RMN para agilizar la biotransformación microbiana y determinar el mejor momento de cosecha de actinomicetos para la producción de antibióticos. Los avances técnicos también en la comprensión a nivel de genes y la recombinación de cepas productoras proporcionan una opción atractiva para mejorar los títulos de producción de productos naturales estructuralmente complejos mediante fermentación microbiana (Zhang et al., 2016).

Explorar la biología de la producción de metabolitos secundarios en actinomicetos a través de la genética ha proporcionado una parte importante de nuestro conocimiento actual. El aumento dramático y sostenido en la comprensión de la genética y enzimología de la biosíntesis de metabolitos secundarios en actinomicetos, especialmente Streptomyces a lo largo de la década de 1990, también ha facilitado la resistencia de la búsqueda de productos naturales en este admirable grupo bacteriano. Como fundación notable, S. coelicolor A3 (2) ha sido reconocido genéticamente como un modelo para los actinomicetos, y se anunció todo el genoma con una genética versátil in vivo e in vitro (Bentley et al., 2002). El análisis genómico de S. coelicolor A3 (2) ha revelado la abundancia de grupos genéticos previamente no caracterizados, enzimas metabólicas, particularmente aquellas que probablemente estén involucradas en la producción de productos naturales. Como último logro, el género de actinomicetos marinos Salinispora se ha establecido como un organismo modelo robusto para la investigación de productos naturales (Jensen et al., 2015). Tiene capacidades biosintéticas notables con 17 vías biosintéticas diversas, de las cuales solo cuatro se habían vinculado a sus respectivos productos.

La información del genoma de actinomicetos cultivados y no cultivados se está actualizando rápidamente. Se han reportado más de 1304 genomas de actinomicetos en marzo de 2016 y, con la llegada de la genética molecular y el análisis genómico de próxima generación, se esperan presentaciones rápidas en un futuro cercano. Los análisis de genomas de actinomicetos han revelado que numerosos grupos de genes biosintéticos «crípticos» u «huérfanos» con el potencial de dirigir la producción de un amplio número de productos naturales novedosos y estructuralmente diversos (Challis, 2014; Gomez-Escribano et al., 2016). Posteriormente, la extracción del genoma de los actinomicetos ha trazado nuevas direcciones en los esfuerzos de descubrimiento de fármacos en curso. Uno de esos enfoques ha sido extraer una colección de 10.000 actinomicetos para obtener nuevos ácidos fosfónicos, y ha sentado una base intrigante para el descubrimiento rápido y a gran escala de otras clases de productos naturales (Ju et al., 2015).

Mejoras realizadas en los métodos bioinformáticos, especialmente específicos para la identificación de grupos de genes de productos naturales y ayudas de predicción funcional en el procesamiento de datos genómicos a granel de actinomicetos (Alam et al., 2011; Doroghazi et al., 2014; Abdelmohsen y otros, 2015). Sin embargo, se necesitan conocimientos suficientes sobre la biología y ecología de la producción de antibióticos para comprender los desencadenantes precisos y las señales necesarias para activar los grupos de genes silenciosos (Abdelmohsen et al., 2015; Kolter y van Wezel, 2016).

Como un gran avance, el advenimiento de la tecnología de edición de ADN guiada por ARN Agrupada en Repeticiones Palindrómicas Cortas (CRISPRs)/Cas9 regularmente Intercaladas promete sustancialmente su aplicación a la modificación del genoma en grupos de genes biosintéticos de actinomicetos (Huang et al., 2015). Obviamente, esta herramienta molecular se puede utilizar en la ingeniería de huéspedes nativos no modelo a anfitriones de producción heterólogos para la biosíntesis de productos naturales deseados. Los continuos avances tecnológicos y conceptuales en la ingeniería de hospedadores microbianos abrirán oportunidades para explorar y aprovechar plenamente el repertorio químico inmensamente diverso de la Naturaleza (Zhang et al., 2016).

Perspectivas de futuro

Los actinomicetos han sido reconocidos como una fuente principal de productos biofarmacéuticos, especialmente antibióticos, durante varias décadas. Nuestro universo es rico en diversos entornos inexplorados y subexplorados que podrían considerarse para el aislamiento de nuevos miembros de actinomicetos. Esto podría modificar nuestro repositorio de actinomicetos con un suministro continuo de nuevos grupos de genes biosintéticos y andamios de productos naturales en los que se reorientan las investigaciones actuales. Los continuos avances en genómica y metabolómica reservan una investigación de productos naturales de próxima generación y desenvuelven las oportunidades más amplias en la explotación de actinomicetos que representan un activo importante para el descubrimiento de compuestos farmacéuticos valiosos. Los avances tecnológicos y conceptuales impulsarán una transición de» búsqueda de productos naturales deseados «a» diseño de productos deseados » de actinomicetos. A través de este artículo, se evidencia que a pesar de una disminución provisional en la investigación de actinomicetos, ahora se abren nuevas vías y buscan la atención activa de los investigadores de todo el mundo. Los países bien dotados de recursos naturales pueden considerar financiar la investigación de productos naturales microbianos, especialmente la investigación de actinomicetos, para ampliar las invenciones de nuevos antibióticos de importancia industrial a fin de vencer la creciente resistencia microbiana y las enfermedades infecciosas.

Contribuciones de los autores

Todos los autores enumerados, han hecho una contribución sustancial, directa e intelectual al trabajo, y lo aprobaron para su publicación.

Financiación

Consejo de Investigaciones Científicas e Industriales (CSIR; http://www.csir.res.in/), Gobierno de la India; Referencia del proyecto: BSC0106-BioprosPR, y HRDG/CSIR-Nehru PDF LS/EMR-I/01/2015.

Declaración de Conflicto de Intereses

Los autores declaran que la investigación se realizó en ausencia de relaciones comerciales o financieras que pudieran interpretarse como un conflicto de intereses potencial.

Agradecimientos

CSIR-CSMCRI Comunicación No.: PRIS-068/2016. El Consejo de Investigación Científica e Industrial (CSIR; www.csir.res.in), el Gobierno de la India (BSC0106-BioprosPR) es agradecido. El CSIR es reconocido además por PJ por la financiación a través de la Beca de Investigación Postdoctoral CSIR-Nehru (HRDG/CSIR-Nehru PDF LS/EMR-I/01/2015), a su investigación sobre los actinomicetos y su metabolismo secundario.