Frontières en microbiologie

Introduction

Les Actinomycètes sont des bactéries Gram-positives ubiquitaires qui constituent l’un des plus grands phyla bactériens à la morphologie filamenteuse caractéristique et à l’ADN G+C élevé. Les actinomycètes ont été reconnus comme première source d’inspiration pour une fraction substantielle d’antibiotiques qui jouent un rôle important dans la santé humaine. Le fait le plus frappant est que ces bactéries filamenteuses ont évolué avec la richesse des amas de gènes biosynthétiques et montrent ainsi un potentiel sans précédent dans la production d’échafaudages de produits naturels biologiquement actifs. Cependant, les deux dernières décennies ont vu les géants pharmaceutiques s’éloigner des efforts de découverte de produits naturels microbiens, et de tels efforts continuent de prospérer dans les instituts de recherche avec des résultats prometteurs. Les efforts de recherche continus des instituts de recherche universitaires, avec des innovations technologiques post-génomiques, rajeunissent la recherche sur les produits naturels et constituent un appel de clarion aux chercheurs du monde entier pour se mettre au diapason de la recherche sur les produits naturels microbiens.

La recherche classique sur les Actinomycètes

Si nous revenons sur environ 76 années de recherche sur les actinomycètes qui se sont concentrées sur la chasse aux métabolites bioactifs du bien-être public, plus de 5000 composés ont été rapportés et ont contribué au développement de 90% des antibiotiques commerciaux utilisés pour des besoins cliniques ou de recherche. Au cours de ce long cours, la recherche sur les actinomycètes a évolué de plusieurs aspects allant de l’isolement et du dépistage de l’activité à la recherche moderne sur les métabolites secondaires post-génomiques (figure 1). Le premier rapport de la streptomycine par Selman Waksman and associates dans les années 1940 et le développement ultérieur en tant que médicament ont encouragé les sociétés pharmaceutiques et les chercheurs à déployer leurs efforts à grande échelle sur la recherche de produits naturels microbiens (Demain et Sanchez, 2009). Les efforts étaient largement tributaires de la récupération des microorganismes à partir de divers échantillons environnementaux et du dépistage de la bioactivité souhaitée. Cette approche a marqué l’âge d’or (1950-1970) de la découverte d’antibiotiques, mise en évidence par la commercialisation de plusieurs antibiotiques vitaux, notamment la streptomycine, la vancomycine, la rifamycine, etc. (Mahajan et Balachandran, 2012). Au cours des décennies suivantes, la redécouverte de composés connus et les défis techniques associés à la purification et à l’élucidation de la structure de nouveaux composés ont largement diminué les efforts classiques (Bérdy, 2012). Malgré les preuves d’un déclin de la recherche sur les produits naturels microbiens, plusieurs groupes de recherche universitaires continuent d’innover en matière d’échantillonnage et d’acquisition d’actinomycètes potentiels à partir de sources jusque-là inexplorées et atténuent les risques de redécouverte de composés connus et d’augmentation de la disponibilité de divers actinomycètes qui sont des questions fondamentales pour la recherche sur les actinomycètes à long terme.

FIGURE 1. Résumé graphique des recherches et développements axés sur la découverte d’antibiotiques à partir d’actinomycètes sur 76 ans. 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 recherche classique sur les actinomycètes a été guidée par une approche d’isolement et de dépistage de l’activité. Considérant que la recherche moderne sur les actinomycètes repose sur un éventail de percées en génétique, en génomique, en métagénomique, en exploration et édition de génomes et en métabolomique à haute résolution, en association avec l’approche classique.

En cours

Les progrès sont cruciaux dans plusieurs aspects de la recherche sur les actinomycètes, notamment (1) l’isolement et la déréplication des isolats d’actinomycètes, (2) la prédiction et l’identification de nouveaux composés, (3) l’amélioration des titres de production de composés potentiels, (4) la découverte d’informations génomiques et du potentiel biosynthétique associé, (5) la collecte et le traitement de données génomiques, (6) l’extraction, l’édition et l’expression hétérologue de groupes de gènes cryptiques, et (7) un profilage métabolique complet, dans un large éventail de domaines principaux tels que la génétique, la génomique et métabolomique.

L’établissement de ressources en actinomycètes est l’une des exigences fondamentales de la recherche sur les produits naturels dépendants de la culture. Pour y remédier, les chercheurs apprennent à cultiver la biodiversité inexplorée des actinomycètes dans divers environnements et de tels efforts ont conduit à la culture de nombreux nouveaux actinomycètes à partir de sédiments marins (Becerril-Espinosa et al., 2013), les cheminées hydrothermales (Thornburg et al., 2010), les salines solaires (Jose et Jebakumar, 2013), les sols désertiques (Mohammadipanah et Wink, 2016), les sols rouges (Guo et al., 2015), éponges (Sun et al., 2015), les insectes (Matsui et al., 2012; Kurtböke et coll., 2015), et les plantes (Masand et al., 2015). D’autre part, la déréplication de souches isolées a atteint un nouveau pas avec des approches spécifiques aux gènes ainsi que des approches d’empreintes métaboliques (Hou et al., 2012; Forner et coll., 2013). Collectivement, le succès uni de l’isolement et de la déréplication facilite la priorisation des isolats qui pourraient être des usines cellulaires dotées de la capacité biosynthétique innée de produire de nouveaux composés. Une telle approche a été pratiquée pour isoler 64 actinomycètes distinctifs de 12 espèces d’éponges marines différentes, et pour donner la priorité à deux souches uniques qui ont montré une activité anti-trypanosomique ainsi qu’une unicité dans le profil métabolomique et la richesse de produits naturels non identifiés (Cheng et al., 2015).

La prédiction et l’identification de nouveaux composés à partir d’actinomycètes, y compris ceux à faibles titres de production, sont devenues relativement simples grâce à l’avènement de la chromatographie liquide à haute résolution -spectrométrie de masse (HR-LC-MS) et de la recherche de bases de données connexes (Tawfike et al., 2013; Doroghazi et coll., 2014; Wu et coll., 2016). Récemment, Wu et coll. (2016) ont pu démontrer l’employabilité de la méthode de profilage métabolique basée sur la RMN pour rationaliser la biotransformation microbienne et déterminer le meilleur moment de récolte des actinomycètes pour la production d’antibiotiques. Les percées techniques également dans la compréhension au niveau des gènes et la recombinaison des souches productrices offrent un choix intéressant pour améliorer les titres de production de produits naturels structurellement complexes par fermentation microbienne (Zhang et al., 2016).

L’exploration de la biologie de la production de métabolites secondaires chez les actinomycètes par la génétique a fourni une part prépondérante à nos connaissances actuelles. L’augmentation spectaculaire et soutenue de la compréhension de la génétique et de l’enzymologie de la biosynthèse des métabolites secondaires chez les actinomycètes, en particulier les Streptomyces tout au long des années 1990, a également facilité l’endurance de la recherche de produits naturels dans ce groupe bactérien admirable. Comme fondement remarquable, S. coelicolor A3(2) a été génétiquement reconnu comme un modèle pour les actinomycètes, et le génome entier a été annoncé avec une génétique polyvalente in vivo et in vitro (Bentley et al., 2002). L’analyse du génome de S. coelicolor A3(2) a révélé l’abondance d’amas de gènes auparavant non caractérisés, d’enzymes métaboliques, en particulier celles susceptibles d’être impliquées dans la production de produits naturels. Comme dernière réalisation, le genre d’actinomycètes marins Salinispora a été établi comme un organisme modèle robuste pour la recherche sur les produits naturels (Jensen et al., 2015). Il possède des capacités biosynthétiques remarquables avec 17 voies biosynthétiques diverses dont seulement quatre avaient été liées à leurs produits respectifs.

Les informations sur le génome des actinomycètes cultivés et non cultivés sont rapidement mises à jour. Plus de 1304 génomes d’actinomycètes ont été signalés en mars 2016 et avec l’avènement de la génétique moléculaire et de l’analyse génomique de prochaine génération, des soumissions rapides sont attendues dans un avenir proche. Les analyses des génomes des actinomycètes ont révélé que de nombreux groupes de gènes biosynthétiques « cryptiques » ou « orphelins » ont le potentiel de diriger la production d’un grand nombre de produits naturels nouveaux et structurellement divers (Challis, 2014; Gomez-Escribano et al., 2016). Par la suite, l’exploitation minière du génome des actinomycètes a esquissé de nouvelles directions dans les efforts de découverte de médicaments en cours. L’une de ces approches a consisté à exploiter une collection de 10 000 actinomycètes pour de nouveaux acides phosphoniques, et a jeté les bases intrigantes de la découverte rapide et à grande échelle d’autres classes de produits naturels (Ju et al., 2015).

Les améliorations apportées aux méthodes de bioinformatique, particulièrement spécifiques à l’identification des groupes de gènes de produits naturels et à la prédiction fonctionnelle, aident au traitement de données génomiques en vrac d’actinomycètes (Alam et al., 2011; Doroghazi et coll., 2014; Abdelmohsen et coll., 2015). Cependant, des connaissances suffisantes sur la biologie et l’écologie de la production d’antibiotiques sont nécessaires pour comprendre les déclencheurs et les signaux précis nécessaires à l’activation des clusters de gènes silencieux (Abdelmohsen et al., 2015; Kolter et van Wezel, 2016).

En tant que grande percée, l’avènement de la technologie d’édition d’ADN guidée par l’ARN Regroupée Régulièrement de courtes Répétitions Palindromiques Interspacées (CRISPRs) / Cas9 promet substantiellement une application à la modification du génome dans des groupes de gènes biosynthétiques d’actinomycètes (Huang et al., 2015). De toute évidence, cet outil moléculaire peut être utilisé dans l’ingénierie d’hôtes natifs non modèles vers des hôtes de production hétérologues pour la biosynthèse des produits naturels souhaités. Les progrès technologiques et conceptuels continus dans l’ingénierie des hôtes microbiens ouvriront des possibilités d’explorer et d’exploiter pleinement le répertoire chimique extrêmement diversifié de la Nature (Zhang et al., 2016).

Perspectives d’avenir

Les actinomycètes ont été reconnus depuis plusieurs décennies comme une source de premier plan de produits biopharmaceutiques, en particulier d’antibiotiques. Notre univers est riche de divers environnements inexplorés et sous-explorés qui pourraient être envisagés pour isoler de nouveaux membres d’actinomycètes. Cela pourrait modifier notre référentiel d’actinomycètes avec un approvisionnement continu en nouveaux groupes de gènes biosynthétiques et en échafaudages de produits naturels sur lesquels la recherche actuelle se réoriente. Les progrès continus de la génomique et de la métabolomique réservent une recherche de produits naturels de nouvelle génération et ouvrent des opportunités plus larges sur l’exploitation des actinomycètes qui représentent un atout important pour la découverte de composés pharmaceutiquement précieux. Les avancées technologiques et conceptuelles entraîneront une transition de la « recherche de produits naturels souhaités » à la « conception de produits désirés » à partir des actinomycètes. À travers cet article, il est démontré que malgré un déclin provisoire de la recherche sur les actinomycètes, de nouvelles voies s’ouvrent maintenant et sollicitent l’attention active des chercheurs du monde entier. Les pays bien dotés en ressources naturelles peuvent envisager de financer la recherche sur les produits naturels microbiens, en particulier la recherche sur les actinomycètes, pour étendre les inventions de nouveaux antibiotiques d’importance industrielle afin de triompher de l’escalade de la résistance microbienne et des maladies infectieuses.

Contributions des auteurs

Tous les auteurs répertoriés ont apporté une contribution substantielle, directe et intellectuelle à l’œuvre et l’ont approuvée pour publication.

Financement

Conseil de la Recherche Scientifique et Industrielle (CSIR; http://www.csir.res.in/), Gouvernement de l’Inde; Référence du projet: BSC0106-BioprosPR et HRDG/CSIR-Nehru PDF LS/EMR-I/01/2015.

Déclaration de conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de relations commerciales ou financières pouvant être interprétées comme un conflit d’intérêts potentiel.

Remerciements

Numéro de communication CSIR-CSMCRI: PRIS-068/2016. Le Conseil de la Recherche Scientifique et Industrielle (CSIR; www.csir.res.in ), le gouvernement de l’Inde (BSC0106-BioprosPR) est remercié. Le CSIR est également reconnu par PJ pour le financement par le biais de la bourse de recherche postdoctorale CSIR-Nehru (HRDG / CSIR-Nehru PDF LS/EMR-I/01/2015), pour ses recherches sur les actinomycètes et leur métabolisme secondaire.