Frontiers in Microbiology

Introduction

Actinomycetes ovat kaikkialla läsnä olevia grampositiivisia bakteereja, jotka muodostavat yhden suurimmista bakteerien fyla, jolla on tyypillinen filamenttimorfologia ja korkea G+C-DNA. Actinomycetes on tunnustettu johtava lähde ja inspiraatiota merkittävä osa antibiootteja, joilla on tärkeä rooli ihmisten terveydelle. Silmiinpistävin seikka on, että nämä rihmamaiset bakteerit ovat kehittyneet biosynteettisten geeniklusterien runsauden myötä ja siten osoittavat ennennäkemättömän potentiaalin biologisesti aktiivisten luonnontuotteiden tuotannossa. Kahden viime vuosikymmenen aikana lääkejätit ovat kuitenkin siirtyneet pois mikrobien Luontaistuotteiden löytöpyrkimyksistä, ja tällaiset pyrkimykset kukoistavat edelleen tutkimuslaitoksissa lupaavin tuloksin. Akateemisten tutkimuslaitosten jatkuva tutkimustyö jälkigenomisten teknologisten innovaatioiden kanssa nuorentaa luonnontuotteiden tutkimusta ja säveltää clarion-kutsun maailmanlaajuisille tutkijoille mikrobien luonnontuotteiden tutkimukseen virittämistä varten.

Klassinen Actinomycetes-tutkimus

jos katsomme taaksepäin noin 76 vuotta kestäneeseen actinomycetes-tutkimukseen, jossa keskityttiin metsästämään bioaktiivisia aineenvaihduntatuotteita, on raportoitu yli 5000 yhdistettä, jotka vaikuttivat siihen, että 90 prosenttia kaupallisista antibiooteista on käytetty joko kliinisiin tai tutkimustarpeisiin. Tämän pitkän kurssin aikana, actinomycetes tutkimus kehittynyt useita näkökohtia eristäminen ja aktiivisuuden seulonta moderni post-genomiset sekundaarimetaboliittien tutkimus (Kuva 1). Selman Waksman and Associatesin ensimmäinen streptomysiiniraportti 1940-luvulla ja myöhempi kehitys lääkkeenä rohkaisivat lääkeyhtiöitä ja tutkijoita panemaan laajamittaiset ponnistelunsa mikrobien luonnontuotteiden tutkimukseen (Demain and Sanchez, 2009). Toimet perustuivat pitkälti mikro-organismien talteenottoon erilaisista ympäristönäytteistä ja halutun bioaktiivisuuden seulontaan. Lähestymistapa toi kulta-ajan (1950-1970) antibioottien löytämisen osoituksena kaupallistaminen useita elämää pelastavia antibiootteja kuten streptomysiini, vankomysiini, rifamysiini, ja niin edelleen (Mahajan and Balachandran, 2012). Seuraavina vuosikymmeninä tunnettujen yhdisteiden uudelleen löytäminen ja uusien yhdisteiden puhdistamiseen ja rakenteen selvittämiseen liittyvät tekniset haasteet vähensivät suuresti klassisia pyrkimyksiä (Bérdy, 2012). Huolimatta näyttöä lasku mikrobien luonnontuotteiden tutkimus, jatkuvat innovaatiot näytteenotto ja hankinta potentiaalisten actinomycetes aiemmin tutkimattomat lähteet ovat jatkaneet useita akateemisia tutkimusryhmiä ja vähentää riskejä uudelleen löydön tunnettujen yhdisteiden ja lisääntynyt saatavuus erilaisia actinomycetes, jotka ovat perustavanlaatuisia asioita pitkän aikavälin actinomycetes tutkimus.

KUVA 1. Graafinen Yhteenveto tutkimuksesta ja kehityksestä keskittyi antibioottien löytämiseen actinomycetes-bakteerista 76 vuoden aikana. 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). Klassisen actinomycetes-tutkimuksen taustalla oli eristäminen ja aktiivisuusseulonta. Kun taas moderni actinomycetes tutkimus ohjaa joukko läpimurtoja genetiikka, genomiikka, metagenomiikka, genomin louhinta ja editointi ja korkean resoluution metabolomiikka, yhdessä klassisen lähestymistavan.

keskeneräinen

edistyminen on ratkaisevaa useissa actinomycetes-tutkimuksen osa-alueilla, joihin kuuluvat (1) aktinomycete-isolaattien eristäminen ja dereplikointi, (2) uusien yhdisteiden ennustaminen ja tunnistaminen, (3) potentiaalisten yhdisteiden tuotantotittereiden parantaminen, (4) genomitiedon ja siihen liittyvän biosynteettisen potentiaalin paljastaminen, (5) genomitiedon kerääminen ja käsittely, (6) kryptisten geeniklustereiden louhinta, muokkaus ja heterologinen ilmentyminen, ja (7) kattava metabolinen profilointi, joka kattaa laajan kirjon pääalueita, kuten genetiikan, genomiikan ja metabolomiikka.

actinomycete-luonnonvarojen perustaminen on yksi kulttuuririippuvaisten luonnontuotteiden tutkimuksen perusvaatimuksista. Tämän ratkaisemiseksi tutkijat opettelevat viljelemään tutkimatonta actinomycete biodiversiteettiä erilaisissa ympäristöissä ja tällaiset ponnistelut ovat johtaneet useiden uusien actinomycetes merisedimenteistä (Becerril-Espinosa et al., 2013), hydrotermiset tuuletusaukot (Thornburg et al., 2010), solar salterns (Jose and Jebakumar, 2013), desert soils (Mohammadipanah and Wink, 2016), red soils (Guo et al., 2015), sienet (Sun et al., 2015), hyönteiset (Matsui et al., 2012; Kurtböke et al., 2015), ja kasvit (Masand et al., 2015). Toisaalta eristettyjen kantojen dereplikaatio on saavuttanut uuden sävelkorkeuden geenispesifisillä sekä metabolisilla sormenjälkitekniikoilla (Hou et al., 2012; Forner ym., 2013). Yhdessä eristämisen ja dereplikaation Yhdistynyt menestys helpottaa isolaattien priorisointia, sillä ne voisivat olla solutehtaita, joilla on luontainen biosynteettinen kyky tuottaa uusia yhdisteitä. Yksi tällainen lähestymistapa on harjoiteltu eristää 64 erottuva actinomycetes 12 eri meren sieni lajeja, ja priorisoida kaksi ainutlaatuista kantoja, jotka osoittivat anti-trypanosomaalinen aktiivisuus sekä ainutlaatuisuus metabolomic profiili ja rikkaus tunnistamattomien luonnontuotteiden (Cheng et al., 2015).

uusien aktinomycetes-yhdisteiden ennustaminen ja tunnistaminen, mukaan lukien ne, joilla on alhainen tuotantotitteri, on tullut suhteellisen suoraviivaiseksi korkean erotuskyvyn nestekromatografia-massaspektrometrian (HR-LC-MS) ja allied database search (Tawfike et al., 2013; Doroghazi et al., 2014; Wu et al., 2016). Äskettäin, Wu et al. (2016) pystyivät osoittamaan NMR-pohjaisen metabolisen profilointimenetelmän työllistettävyyden mikrobien biotransformaation virtaviivaistamiseksi ja aktinomycetesin parhaan korjuuajan määrittämiseksi antibioottituotantoon. Tekniset läpimurrot myös geenitason ymmärtämisessä ja tuottajakantojen rekombinoinnissa tarjoavat houkuttelevan valinnan parantaa rakenteellisesti monimutkaisten luonnontuotteiden tuotantotittereitä mikrobikäymisen avulla (Zhang et al., 2016).

aktinomycetesin sekundaarimetaboliittien tuotannon biologian tutkiminen genetiikan kautta on antanut suurimman osan nykytiedostamme. Dramaattinen ja jatkuva kasvu ymmärrystä genetiikan ja entsymologian toissijaisten metaboliittien biosynteesi aktinomycetes, erityisesti Streptomyces koko 1990-luvulla ovat myös helpottaneet kestävyyttä luonnon tuotteen haku tässä ihailtavaa bakteeriryhmä. Koska huomionarvoinen perusta, S. coelicolor A3 (2) on geneettisesti tunnustettu malliksi actinomycetes, ja koko genomi ilmoitettiin monipuolinen in vivo ja in vitro genetiikka (Bentley et al., 2002). S. coelicolor A3 (2) on paljastanut runsaasti aiemmin luokittelemattomia geeniklustereita, metabolisia entsyymejä, erityisesti niitä, jotka todennäköisesti osallistuvat luonnontuotteiden tuotantoon. Viimeisimpänä saavutuksena meren actinomycete-suvun salinispora on vahvistettu Luontaistuotteiden tutkimuksen kestäväksi malliorganismiksi (Jensen et al., 2015). Sillä on huomattava biosynteettinen kapasiteetti, sillä on 17 erilaista biosynteettistä reittiä, joista vain neljä oli liittynyt niiden omiin tuotteisiin.

viljellyn ja viljelemättömän actinomycetesin genomitietoa päivitetään nopeasti. Yli 1304 actinomycetes genomin on raportoitu maaliskuuta 2016 ja kynnyksellä molekyyligenetiikan ja seuraavan sukupolven genomianalyysin odotetaan nopeita esityksiä lähitulevaisuudessa. Actinomycetesin genomien analyysit ovat paljastaneet, että lukuisat ”kryptiset” tai ”orvot” biosynteettiset geeniklusterit, joilla on mahdollisuus ohjata runsaasti uusia, rakenteellisesti monimuotoisia luonnontuotteita (Challis, 2014; Gomez-Escribano et al., 2016). Myöhemmin, kaivostoiminta actinomycetes genomin on hahmotellut uusia suuntiin käynnissä huumeiden löytö pyrkimyksiä. Yksi tällainen lähestymistapa on ollut louhia kokoelma 10000 aktinomycetes uusia fosfonihappoja, ja ne ovat luoneet kiehtova perusta nopea, laajamittainen löytö muiden luokkien luonnontuotteita (Ju et al., 2015).

bioinformatiikan menetelmiin tehdyt parannukset, jotka liittyvät erityisesti luonnontuotteiden geeniklusterin tunnistamiseen ja funktionaaliseen ennustamiseen actinomycetesin (Alam et al., 2011; Doroghazi et al., 2014; Abdelmohsen ym., 2015). Tarvitaan kuitenkin riittävästi tietoa antibioottituotannon biologiasta ja ekologiasta, jotta voidaan ymmärtää hiljaisten geeniklustereiden aktivointiin tarvittavat tarkat laukaisimet ja vihjeet (Abdelmohsen et al., 2015; Kolter ja van Wezel, 2016).

suurena läpimurtona RNA-ohjatun DNA: n muokkaustekniikan tulo, joka on ryhmitelty säännöllisesti Interspaced Short Palindromic Repeats(CRISPRs) / Cas9, lupaa merkittävästi sovellettavaksi genomin muunteluun biosynteettisissä aktinomycetes-geeniklustereissa (Huang et al., 2015). On selvää, että tätä molekyylityökalua voidaan käyttää ei-mallisten natiivi-isäntien suunnittelussa heterologisiin tuotanto-isäntiin haluttujen luonnontuotteiden biosynteesiä varten. Jatkuva teknologinen ja käsitteellinen kehitys tekniikan mikrobiomien isännissä avaa mahdollisuuksia tutkia ja hyödyntää luonnon äärettömän monimuotoista kemiallista repertuaaria (Zhang et al., 2016).

Future Perspectives

Actinomycetes on tunnustettu Biolääkkeiden, erityisesti antibioottien, johtavaksi lähteeksi useiden vuosikymmenten ajan. Maailmankaikkeudessamme on runsaasti erilaisia tutkimattomia ja alihyödynnettyjä ympäristöjä, joita voitaisiin pitää uusien actinomycetes-suvun jäsenten eristämisenä. Tämä voisi muuttaa actinomycetes-varastoamme jatkuvalla tarjonnalla uusia biosynteettisiä geeniklustereita ja luonnontuotetelineitä, joihin nykyinen tutkimus suuntautuu uudelleen. Genomiikan ja metabolomiikan jatkuva kehitys varaa seuraavan sukupolven luonnontuotteiden tutkimukseen ja avaa laajemmat mahdollisuudet hyödyntää aktinomycetes-yhdisteitä, jotka ovat tärkeä voimavara farmaseuttisesti arvokkaiden yhdisteiden löytämisessä. Teknologiset ja käsitteelliset edistysaskeleet ajavat siirtymistä” haluttujen luonnontuotteiden etsimiseen ”actinomycetesin” haluttujen tuotteiden suunnitteluun”. Kautta tämän artikkelin, se on evinced että huolimatta väliaikainen lasku actinomycetes tutkimus, uusia väyliä ovat auki nyt ja hakea aktiivista huomiota tutkijoiden kaikkialla maailmassa. Ne maat, joilla on hyvät luonnonvarat, voivat katsoa rahoittavansa mikrobien luonnontuotteiden tutkimusta, erityisesti actinomycetes-tutkimusta, jolla laajennetaan uusien teollisesti merkittävien antibioottien keksintöjä mikrobiresistenssin ja tartuntatautien lisääntymisen voittamiseksi.

Tekijäosuudet

Kaikki luettelossa mainitut kirjailijat ovat antaneet merkittävän, suoran ja älyllisen panoksen teokseen ja hyväksyneet sen julkaistavaksi.

Rahoitus

tieteellisen ja teollisen tutkimuksen neuvosto (CSIR; http://www.csir.res.in/), Intian hallitus; Hankeviite: BSC0106-BioprosPR ja HRDG/CSIR-Nehru PDF LS/EMR-I/01 / 2015.

Eturistiriitalausunto

kirjoittajat toteavat, että tutkimus tehtiin ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, joita voitaisiin pitää mahdollisena eturistiriitana.

kiitokset

CSIR-CSMCRI tiedonanto nro.: Hinta-068/2016. Tieteellisen ja teollisen tutkimuksen neuvosto (CSIR; www.csir.res.in), Intian hallitus (Bsc0106-BioprosPR)on kiitollisena tunnustettu. Lisäksi PJ myöntää CSIR: lle rahoituksen CSIR-Nehrun tutkijatohtorin (HRDG/CSIR-Nehru PDF LS/EMR-I/01/2015) kautta aktinomycetesia ja niiden sekundaarista metaboliaa käsittelevälle tutkimukselleen.