Frontiers in Microbiology

Bevezetés

az aktinomycetes mindenütt jelen lévő Gram-pozitív baktériumok, amelyek az egyik legnagyobb baktériumtörzset alkotják jellegzetes fonalas morfológiával és magas G+C DNS-sel. Az aktinomycetákat az antibiotikumok jelentős részének elsődleges forrásaként és inspirációjaként ismerik el, amelyek fontos szerepet játszanak az emberi egészségben. A legszembetűnőbb tény, hogy ezek a fonalas baktériumok a bioszintetikus géncsoportok gazdagságával fejlődtek ki, és ezáltal példátlan potenciált mutatnak a biológiailag aktív természetes termékállványok előállításában. Az elmúlt két évtizedben azonban a gyógyszeripari óriások elmozdultak a mikrobiális természetes termékek felfedezésére irányuló erőfeszítésektől, és ezek az erőfeszítések továbbra is virágoznak a kutatóintézetekben, ígéretes eredményekkel. Az akadémiai kutatóintézetek folyamatos kutatási erőfeszítései a posztgenomikai technológiai újításokkal megújítják a természetes termékek kutatását,és világszerte felhívják a kutatókat a mikrobiális természetes termékek kutatására.

a klasszikus aktinomycetes kutatás

ha visszatekintünk a 76 éves aktinomycetes kutatásra, amely a közjólét bioaktív metabolitjainak vadászatára összpontosított, több mint 5000 vegyületről számoltak be, és hozzájárultak a kereskedelmi antibiotikumok 90% – ának kifejlesztéséhez, amelyeket klinikai vagy kutatási célokra használnak. Ebben a hosszú kurzusban az aktinomycetes kutatás számos szempontot fejlesztett ki az izolálástól és az aktivitás szűrésétől a modern posztgenomiális másodlagos metabolitok kutatásáig (1.ábra). Selman Waksman és társai sztreptomicinről szóló első jelentése az 1940-es években és az azt követő gyógyszerfejlesztés arra ösztönözte a gyógyszeripari vállalatokat és kutatókat, hogy nagyszabású erőfeszítéseiket a mikrobiális természetes termékek kutatására fordítsák (Demain and Sanchez, 2009). Az erőfeszítések nagyban függtek a mikroorganizmusok különböző környezeti mintákból történő kinyerésétől, valamint a kívánt bioaktivitás szűrésétől. A megközelítés hozta az arany korszak (1950-1970) antibiotikum felfedezés bizonyítja a kereskedelmi forgalomba számos életmentő antibiotikumok, beleértve a sztreptomicin, vankomicin, rifamicin, és így tovább (Mahajan and Balachandran, 2012). A következő évtizedekben az ismert vegyületek újrafelfedezése, valamint az új vegyületek tisztításával és szerkezetének tisztázásával kapcsolatos technikai kihívások nagymértékben csökkentették a klasszikus erőfeszítéseket (B!, 2012). Annak ellenére, hogy a bizonyítékok csökkenése mikrobiális természetes termékek kutatás, folyamatos innovációk mintavétel és megszerzése potenciális aktinomycetes a korábban feltáratlan forrásokból továbbra is több tudományos kutatócsoportok és kockázatának csökkentése újrafelfedezése ismert vegyületek és a bővített elérhetősége különböző aktinomycetes, amelyek alapvető kérdések a hosszú távú aktinomycetes kutatás.

1. ÁBRA. Az aktinomycetes antibiotikum felfedezésére összpontosító kutatások és fejlesztések grafikus összefoglalása 76 év alatt. 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). A klasszikus aktinomycetes kutatásokat az izolációs és aktivitási szűrési megközelítés vezérelte. Míg a modern aktinomycetes kutatásokat a genetika, a genomika, a metagenomika, a genombányászat és-szerkesztés, valamint a nagy felbontású metabolomika számos áttörése vezérli, a klasszikus megközelítéssel együtt.

folyamatban

a haladás kulcsfontosságú az aktinomycetes kutatás számos aspektusában, amely magában foglalja (1) az aktinomycete izolátumok izolálását és dereplikációját, (2) új vegyületek előrejelzését és azonosítását, (3) a potenciális vegyületek termelési titereinek növelését, (4) a genominformációk és a kapcsolódó bioszintetikus potenciál feltárását, (5) a genomi adatok gyűjtését és feldolgozását, (6) a rejtélyes géncsoportok bányászatát, szerkesztését és heterológ expresszióját, és (7) átfogó metabolikus profilalkotás, olyan fő területek széles spektrumában, mint a genetika, a genomika és metabolomika.

az aktinomycete erőforrások létrehozása a kultúrától függő természetes termékek kutatásának egyik alapvető követelménye. Ennek kezelése érdekében a kutatók megtanulják, hogyan kell ápolni a feltáratlan aktinomycetes biodiverzitást különböző környezetekben, és ezek az erőfeszítések számos új aktinomycetes termesztéséhez vezettek a tengeri üledékekből (Becerril-Espinosa et al., 2013), hidrotermális szellőzők (Thornburg et al., 2010), solar salterns (Jose and Jebakumar, 2013), sivatagi talajok (Mohammadipanah and Wink, 2016), vörös talajok (Guo et al., 2015), szivacsok (Sun et al., 2015), rovarok (Matsui et al., 2012; Kurtb Enterprises et al., 2015), és növények (Masand et al., 2015). Másrészt az izolált törzsek dereplikációja új szintet ért el génspecifikus, valamint metabolikus ujjlenyomat-megközelítésekkel (Hou et al., 2012; Forner et al., 2013). Az izolálás és a dereplikáció együttes sikere együttesen megkönnyíti az izolátumok rangsorolását, amelyek sejtgyárak lehetnek, amelyek veleszületett bioszintetikus képességgel rendelkeznek új vegyületek előállítására. Az egyik ilyen megközelítést 64 jellegzetes aktinomycetes izolálására alkalmazták 12 különböző tengeri szivacsfajból, és két olyan egyedi törzs rangsorolására, amelyek anti-tripanoszomális aktivitást mutattak, valamint egyediséget mutattak a metabolomikus profilban és az azonosítatlan természetes termékek gazdagságában (Cheng et al., 2015).

az aktinomycetes új vegyületeinek előrejelzése és azonosítása, beleértve az alacsony termelési titerűeket is, viszonylag egyszerűvé vált a nagy felbontású folyadékkromatográfia-tömegspektrometria (HR-LC-MS) és a kapcsolódó adatbázis-keresés (Tawfike et al., 2013; Dorogházi et al., 2014; Wu et al., 2016). Nemrég, Wu et al. (2016) képesek voltak bizonyítani az NMR-alapú metabolikus profilozási módszer alkalmazhatóságát a mikrobiális biotranszformáció ésszerűsítésére, valamint az aktinomycetes legjobb betakarítási idejének meghatározására az antibiotikumok előállításához. A génszintű megértésben és a termelő törzsek rekombinálásában elért technikai áttörések vonzó választást jelentenek a szerkezetileg összetett természetes termékek termelési titereinek mikrobiális fermentációval történő javítására (Zhang et al., 2016).

a másodlagos metabolitok termelésének biológiájának feltárása aktinomycetesben a genetika révén a legfontosabb részesedést biztosította jelenlegi ismereteinkben. A másodlagos metabolitok bioszintézisének genetikájának és enzimológiájának megértése az aktinomycetesben, különösen a Streptomyces-ben az 1990-es években elősegítette a természetes termékkeresés kitartását ebben a csodálatos baktériumcsoportban. Figyelemre méltó alapként az S. coelicolor A3(2) genetikailag az aktinomycetes modelljeként ismert, és a teljes genomot sokoldalú in vivo és in vitro genetikával jelentették be (Bentley et al., 2002). Az S genom elemzése. a coelicolor A3 (2) feltárta a korábban nem jellemző géncsoportokat, metabolikus enzimeket, különösen azokat, amelyek valószínűleg részt vesznek a természetes termékek előállításában. Legújabb eredményként a salinispora tengeri aktinomycete nemzetséget robusztus modellszervezetként hozták létre a természetes termékek kutatásához (Jensen et al., 2015). Figyelemre méltó bioszintetikus kapacitással rendelkezik, 17 különböző bioszintetikus útvonallal, amelyek közül csak négy kapcsolódott a megfelelő termékekhez.

a tenyésztett és nem tenyésztett aktinomycetes genominformációja azonnal frissül. Több mint 1304 aktinomycetes genomról számoltak be 2016 márciusában, és a molekuláris genetika és a következő generációs genomelemzés megjelenésével a közeljövőben gyors beadványok várhatók. Az aktinomycetes genomjainak elemzése kimutatta, hogy számos ‘rejtélyes’ vagy ‘árva’ bioszintetikus géncsoport rendelkezik azzal a potenciállal, hogy bőséges számú újszerű, szerkezetileg változatos természetes termék előállítását irányítsa (Challis, 2014; Gomez-Escribano et al., 2016). Ezt követően az aktinomycetes Genom bányászata új irányokat vázolt fel a folyamatban lévő gyógyszerfelfedezési erőfeszítésekben. Az egyik ilyen megközelítés az volt, hogy 10 000 aktinomycetes gyűjteményt bányásztak új foszfonsavak számára, és érdekes alapot teremtettek a természetes termékek más osztályainak gyors, nagyszabású felfedezéséhez (Ju et al., 2015).

a bioinformatikai módszerek fejlesztése, különösen a természetes termékgén klaszter azonosítására és az aktinomycetes ömlesztett genomikai adatainak feldolgozásában nyújtott funkcionális előrejelzésre (Alam et al., 2011; Dorogházi et al., 2014; Abdelmohsen et al., 2015). Azonban elegendő betekintés szükséges az antibiotikum-termelés biológiájába és ökológiájába, hogy megértsük a csendes géncsoportok aktiválásához szükséges pontos triggereket és jeleket (Abdelmohsen et al., 2015; Kolter és Van Wezel, 2016).

nagy áttörésként az RNS-vezérelt DNS-szerkesztési technológia megjelenése csoportosult rendszeresen Interspaced rövid Palindromikus ismétlések(CRISPRs) / Cas9 lényegében ígéretet tesz az aktinomycetes bioszintetikus géncsoportjainak genommódosítására (Huang et al., 2015). Nyilvánvaló, hogy ez a molekuláris eszköz felhasználható a nem Modell natív gazdaszervezetek heterológ termelési gazdaszervezetekké történő tervezésében a kívánt természetes termékek bioszintéziséhez. A folyamatos technológiai és fogalmi fejlődés a mérnöki mikrobiális gazdaszervezetekben lehetőséget teremt a természet rendkívül változatos kémiai repertoárjának teljes feltárására és kiaknázására (Zhang et al., 2016).

jövőbeli kilátások

az Aktinomycetákat a biofarmakonok, különösen az antibiotikumok elsődleges forrásaként ismerik el évtizedek óta. Univerzumunk gazdag különféle felderítetlen és feltáratlan környezetekben, amelyeket fontolóra lehet venni az aktinomycetes új tagjainak elszigetelésére. Ez módosíthatja aktinomycetes tárolónkat új bioszintetikus géncsoportok és természetes termékállványok folyamatos ellátásával, amelyekre a jelenlegi kutatások átirányulnak. A genomika és a metabolomika folyamatos fejlődése fenntartja a következő generációs természetes termékek kutatását, és kibontja az aktinomycetes kiaknázásának szélesebb körű lehetőségeit, amelyek fontos értéket képviselnek a gyógyászatilag értékes vegyületek felfedezésében. A technológiai és fogalmi fejlődés a “kívánt természetes termékek keresése” átmenethez vezet az aktinomycetes “kívánt termékek tervezéséhez”. Ez a cikk bizonyítja, hogy az aktinomycetes kutatás átmeneti csökkenése ellenére új utak nyílnak meg, és a kutatók aktív figyelmét keresik az egész világon. Azok az országok, amelyek jól fel vannak ruházva a természeti erőforrásokkal, úgy ítélhetik meg, hogy finanszírozzák a mikrobiális természetes termékek kutatását, különösen az aktinomycetes kutatásokat, hogy kiterjesszék az ipari jelentőségű új antibiotikumok találmányait a növekvő mikrobiális rezisztencia és a fertőző betegségek diadalára.

szerzői hozzájárulások

minden felsorolt szerző jelentős, közvetlen és szellemi hozzájárulást nyújtott a műhöz, és jóváhagyta a közzétételt.

finanszírozás

tudományos és Ipari Kutatási Tanács (CSIR; http://www.csir.res.in/), indiai kormány; projekt hivatkozás: BSC0106-BioprosPR és HRDG/CSIR-Nehru PDF LS/EMR-I/01 / 2015.

összeférhetetlenségi nyilatkozat

a szerzők kijelentik, hogy a kutatást olyan kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolatok hiányában végezték, amelyek potenciális összeférhetetlenségnek tekinthetők.

Köszönetnyilvánítás

CSIR-CSMCRI Közleményszám.: PRIS-068/2016. Tudományos és ipari kutatások Tanácsa (CSIR) www.csir.res.in), India kormánya (BSC0106-BioprosPR) hálásan elismert. A CSIR – t a PJ is elismeri a CSIR-Nehru posztdoktori Kutatási Ösztöndíj (HRDG/CSIR-Nehru PDF LS/EMR-i/01/2015), az aktinomycetes és másodlagos anyagcseréjük kutatására.