grænser i mikrobiologi

introduktion

Actinomycetes er allestedsnærværende Gram-positive bakterier, der udgør en af de største bakteriefyler med karakteristisk filamentøs morfologi og højt G+C DNA. Actinomycetes er blevet anerkendt som førende kilde og inspiration til en betydelig del af antibiotika, der spiller en vigtig rolle i menneskers sundhed. Den mest slående kendsgerning er, at disse filamentøse bakterier har udviklet sig med rigdom af biosyntetiske genklynger og derved viser et hidtil uset potentiale i produktionen biologisk aktive naturlige produkt stilladser. Imidlertid har de sidste to årtier set et skridt fra farmaceutiske giganter væk fra mikrobielle naturlige produktopdagelsesindsatser, og en sådan indsats fortsætter med at blomstre i forskningsinstitutter med lovende resultater. Den fortsatte forskningsindsats akademiske forskningsinstitutter, med post-genomiske teknologiske innovationer, forynge naturprodukt forskning og komponere en clarion opfordring til verdensomspændende forskere for tuning i mikrobielle naturlige produkter forskning.

den klassiske actinomycetes-Forskning

hvis vi ser tilbage på omkring 76 års actinomycetes-forskning, der fokuserede på jagt på bioaktive metabolitter af offentlig velfærd, er der rapporteret om over 5000 forbindelser og bidraget til udviklingen af 90% af kommercielle antibiotika, der anvendes til enten kliniske eller forskningsbehov. I dette lange kursus udviklede actinomycetes-forskning flere aspekter fra Isolations-og aktivitetsscreening til moderne post-genomisk sekundær metabolitterforskning (Figur 1). I 1940 ‘ erne og efterfølgende udvikling som lægemiddel opfordrede farmaceutiske virksomheder og forskere til at lægge deres store indsats på forskning i mikrobielle naturlige produkter (Demain og Sanches, 2009). Indsatsen var stort set afhængig af genopretning af mikroorganismer fra forskellige miljøprøver og screening for den ønskede bioaktivitet. Tilgangen bragte den gyldne æra (1950-1970) af antibiotisk opdagelse, der fremgår af kommercialiseringen af flere livreddende antibiotika, herunder streptomycin, vancomycin, rifamycin og så videre (Mahajan og Balachandran, 2012). I de efterfølgende årtier faldt genopdagelsen af kendte forbindelser og tekniske udfordringer forbundet med oprensning og strukturbelysning af nye forbindelser i vid udstrækning den klassiske indsats (B Lrrdy, 2012). På trods af beviset for et fald i mikrobielle naturlige produkter forskning, fortsatte innovationer inden for prøveudtagning og erhvervelse af potentielle actinomycetes fra tidligere uudforskede kilder fortsættes af flere akademiske forskningsgrupper og mindsker risikoen for genopdagelse af kendte forbindelser og øget tilgængelighed af forskellige actinomycetes, der er grundlæggende forhold til den langsigtede actinomycetes-forskning.

FIGUR 1. Grafisk resume af forskning og udvikling fokuseret på antibiotisk opdagelse fra actinomycetes over 76 år. 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). Klassisk actinomycetes-forskning blev drevet af Isolations-og aktivitetsscreeningstilgang. Mens moderne actinomycetes-forskning er drevet af en række gennembrud inden for genetik, genomik, metagenomik, genomminedrift og redigering og metabolomik med høj opløsning i forbindelse med klassisk tilgang.

i gang

fremskridt er afgørende i flere aspekter af actinomycetes-forskning, der inkluderer (1) isolering og dereplicering af actinomycete-isolater, (2) forudsigelse og identifikation af nye forbindelser, (3) forbedring af produktionstitere af potentielle forbindelser, (4) afdækning af genominformation og tilhørende biosyntetisk potentiale, (5) indsamling og behandling af genomiske data, (6) minedrift, redigering og heterolog ekspression af kryptiske genklynger og (7) omfattende metabolisk profilering under et bredt spektrum af hovedområder som genetik, genomik og metabolomics.

etablering af actinomycete-ressourcer er et af de grundlæggende krav til kulturafhængig forskning i naturlige produkter. For at løse dette lærer forskere at dyrke den uudforskede actinomycete biodiversitet i forskellige miljøer, og en sådan indsats har ført til dyrkning af adskillige nye actinomycetes fra marine sedimenter (Becerril-Espinosa et al., 2013), hydrotermiske ventilationskanaler (Thornburg et al., 2010), solsalterns (Jose og Jebakumar, 2013), ørkenjord (Mohammadipanah og blink, 2016), rød jord (Guo et al., 2015), svampe (Sun et al., 2015), insekter (Matsui et al., 2012; Kurtb Kurtke et al., 2015), og planter (Masand et al., 2015). På den anden side har dereplikation af isolerede stammer opnået en ny tonehøjde med genspecifikke såvel som metaboliske fingeraftryksmetoder (Hou et al., 2012; Forner et al., 2013). Samlet Letter Den Forenede succes i isolation og dereplikation prioriteringen af isolaterne, som kunne være cellulære fabrikker med den medfødte biosyntetiske evne til at producere nye forbindelser. En sådan tilgang er blevet praktiseret for at isolere 64 karakteristiske actinomycetes fra 12 forskellige marine svampearter og at prioritere to unikke stammer, der viste anti-trypanosomal aktivitet såvel som unikhed i metabolomisk profil og rigdom af uidentificerede naturlige produkter (Cheng et al., 2015).

forudsigelse og identifikation af nye forbindelser fra actinomyceter inklusive dem med lave produktionstitere er blevet relativt ligetil gennem fremkomsten af højopløsningsvæskekromatografi-massespektrometri (HR-LC-MS) og allieret databasesøgning., 2013; Pernille et al., 2014; vu et al., 2016). For nylig, vu et al. (2016) var i stand til at demonstrere beskæftigelsesegnetheden af NMR-baseret metabolisk profileringsmetode for at strømline mikrobiel biotransformation og bestemme den bedste høsttid for actinomycetes til antibiotikaproduktion. Tekniske gennembrud også i genniveauforståelse og rekombinering af producentstammer giver et attraktivt valg til at forbedre produktionstitere af strukturelt komplekse naturlige produkter ved mikrobiel fermentering., 2016).

udforskning af biologien af sekundære metabolitter produktion i actinomycetes gennem genetik har givet en fremtrædende andel til vores nuværende viden. Dramatisk og vedvarende stigning i forståelsen af genetik og genetik af sekundære metabolitter biosyntese i actinomycetes, især Streptomyces gennem 1990 ‘ erne har også lettet udholdenhed af naturlig produktsøgning i denne beundringsværdige bakteriegruppe. Som et bemærkelsesværdigt fundament er S. coelicolor A3 (2) genetisk blevet anerkendt som en model for actinomycetes, og hele genomet blev annonceret med alsidig in vivo og in vitro genetik (Bentley et al., 2002). Genomanalysen af S. coelicolor A3 (2) har afsløret overflod af tidligere ukarakteriserede genklynger, metaboliske stoffer, især dem, der sandsynligvis vil være involveret i produktionen af naturlige produkter. Som en seneste bedrift er den marine actinomycete-Slægt Salinispora blevet etableret som en robust modelorganisme til forskning i naturlige produkter (Jensen et al., 2015). Det har bemærkelsesværdige biosyntetiske kapaciteter med 17 forskellige biosyntetiske veje, hvoraf kun fire var blevet knyttet til deres respektive produkter.

genominformationen af dyrkede og ukulturerede actinomyceter opdateres straks. Over 1304 actinomycetes genom er blevet rapporteret som i Marts 2016 og med fremkomsten af molekylær genetik og næste generations genomanalyse forventes hurtige indlæg i nær fremtid. Analyser af genomer af actinomycetes har afsløret, at adskillige ‘kryptiske’ eller ‘forældreløse’ biosyntetiske genklynger med potentialet til at styre produktionen af et stort antal nye, strukturelt forskellige naturlige produkter (Challis, 2014; Gomes-Escribano et al., 2016). Efterfølgende har minedrift af actinomycetes genom skitseret nye retninger i den igangværende lægemiddelopdagelsesindsats. En sådan tilgang har været at udvinde en samling på 10.000 actinomyceter til nye phosphonsyrer og har lagt et spændende fundament for hurtig, storstilet opdagelse af andre klasser af naturlige produkter (Ju et al., 2015).

forbedringer foretaget i bioinformatikmetoder, især specifikke for identifikation af genklyngeidentifikation af naturlige produkter og funktionelle forudsigelseshjælpemidler til behandling af genomiske data i bulk af actinomycetes (alam et al., 2011; Pernille et al., 2014; Abdelmohsen et al., 2015). Imidlertid er der behov for tilstrækkelig indsigt i antibiotikaproduktionens biologi og økologi for at forstå de nøjagtige udløsere og signaler, der kræves for at aktivere tavse genklynger (Abdelmohsen et al., 2015; Kolter og Jørgensen, 2016).

som et stort gennembrud lover fremkomsten af RNA-styret DNA-redigeringsteknologi regelmæssigt Interspaced korte palindromiske gentagelser (CRISPRs)/Cas9 væsentligt for anvendelse til genommodifikation i biosyntetiske genklynger af actinomycetes (Huang et al., 2015). Det er klart, at dette molekylære værktøj kan bruges til konstruktion af ikke-model native værter til heterologe produktionsværter til biosyntese af ønskede naturlige produkter. Fortsatte teknologiske og konceptuelle fremskridt inden for engineering mikrobielle værter vil åbne muligheder for fuldt ud at udforske og udnytte naturens uhyre forskelligartede kemiske repertoire., 2016).

fremtidsperspektiver

Actinomycetes er blevet anerkendt som en førende kilde til biofarmaceutiske stoffer, især antibiotika gennem flere årtier. Vores univers er rig på forskellige uudforskede og underudforskede miljøer, der kunne overvejes til isolering af nye medlemmer af actinomycetes. Dette kunne ændre vores actinomycetes repository med en kontinuerlig forsyning af nye biosyntetiske genklynger og naturlige produkt stilladser, som den nuværende forskning omorienterer. Fortsatte fremskridt inden for genomik og metabolomik forbeholder sig en næste generations forskning i naturlige produkter og pakker de bredere muligheder for udnyttelse af actinomycetes, der repræsenterer et vigtigt aktiv for opdagelsen af farmaceutisk værdifulde forbindelser. De teknologiske og konceptuelle fremskridt vil drive en overgang fra” Søgning efter ønskede naturlige produkter “til” design for ønskede produkter ” fra actinomycetes. Gennem denne artikel, det viser sig, at på trods af et midlertidigt fald i actinomycetes-forskning, nye veje er åbne nu og søger forskernes aktive opmærksomhed over hele verden. De lande, der er godt udstyret med de naturlige ressourcer, kan anse for at finansiere mikrobiel naturproduktforskning, især actinomycetes-forskning til udvidelse af opfindelserne af nye antibiotika af industriel betydning for at sejre den eskalerende mikrobielle resistens og infektionssygdomme.

Forfatterbidrag

alle forfattere, der er anført, har ydet et væsentligt, direkte og Intellektuelt Bidrag til Værket og godkendt det til offentliggørelse.

finansiering

Rådet for videnskabelig og industriel forskning (CSIR; http://www.csir.res.in/), Indiens regering; projektreference: BSC0106-BioprosPR og HRDG/CSIR-Nehru PDF LS/EMR-i/01 / 2015.

interessekonflikt Erklæring

forfatterne erklærer, at forskningen blev udført i mangel af kommercielle eller økonomiske forhold, der kunne fortolkes som en potentiel interessekonflikt.

anerkendelser

CSIR-CSMCRI Kommunikationsnr.: PRIS-068/2016. Rådet for videnskabelig og industriel forskning (CSIR; www.csir.res.in), Indiens regering (BSC0106-BioprosPR) er taknemmeligt anerkendt. CSIR anerkendes yderligere af PJ for finansieringen gennem CSIR-Nehru Postdoc-stipendium (HRDG/CSIR-Nehru PDF LS/EMR-i/01/2015) til hans forskning i actinomycetes og deres sekundære metabolisme.