Frontiers in Microbiology

Introduzione

Gli actinomiceti sono batteri gram-positivi onnipresenti che costituiscono uno dei più grandi phyla batterici con morfologia filamentosa caratteristica e DNA G+C elevato. Gli actinomiceti sono stati riconosciuti come fonte principale e ispirazione per una frazione sostanziale di antibiotici che svolgono un ruolo importante nella salute umana. Il fatto più sorprendente è che questi batteri filamentosi si sono evoluti con la ricchezza di cluster di geni biosintetici e quindi mostrano un potenziale senza precedenti nella produzione di scaffold di prodotti naturali biologicamente attivi. Tuttavia, negli ultimi due decenni ha visto una mossa da giganti farmaceutici lontano dagli sforzi di scoperta di prodotti naturali microbici, e tali sforzi continuano a fiorire negli istituti di ricerca con risultati promettenti. I continui sforzi di ricerca degli istituti di ricerca accademici, con innovazioni tecnologiche post-genomiche, ringiovaniscono la ricerca sui prodotti naturali e compongono un invito a ricercatori di tutto il mondo per sintonizzarsi sulla ricerca di prodotti naturali microbici.

La classica ricerca sugli actinomiceti

Se guardiamo indietro a circa 76 anni di ricerca sugli actinomiceti incentrata sulla caccia ai metaboliti bioattivi del benessere pubblico, sono stati segnalati oltre 5000 composti che hanno contribuito allo sviluppo del 90% degli antibiotici commerciali utilizzati per esigenze cliniche o di ricerca. In questo lungo corso, la ricerca sugli actinomiceti ha evoluto diversi aspetti dall’isolamento e dallo screening dell’attività alla moderna ricerca sui metaboliti secondari post-genomici (Figura 1). Il primo rapporto di streptomicina di Selman Waksman and associates negli 1940 e il successivo sviluppo come farmaco ha incoraggiato le aziende farmaceutiche e i ricercatori a mettere i loro sforzi su larga scala sulla ricerca di prodotti naturali microbici (Demain e Sanchez, 2009). Gli sforzi dipendevano in gran parte dal recupero di microrganismi da diversi campioni ambientali e dallo screening per la bioattività desiderata. L’approccio ha portato l’era d’oro (1950-1970) della scoperta di antibiotici evidenziata dalla commercializzazione di diversi antibiotici salvavita tra cui streptomicina, vancomicina, rifamicina e così via (Mahajan e Balachandran, 2012). Nei decenni successivi, la riscoperta di composti noti e le sfide tecniche associate alla purificazione e alla delucidazione della struttura di nuovi composti hanno in gran parte declinato gli sforzi classici (Bérdy, 2012). Nonostante l’evidenza di un declino nella ricerca di prodotti naturali microbici, le continue innovazioni nel campionamento e nell’acquisizione di potenziali actinomiceti da fonti precedentemente inesplorate vengono continuate da diversi gruppi di ricerca accademici e mitigano i rischi della riscoperta di composti noti e l’aumentata disponibilità di diversi actinomiceti che sono questioni fondamentali per la ricerca di actinomiceti a lungo termine.

FIGURA 1. Sintesi grafica della ricerca e degli sviluppi focalizzati sulla scoperta di antibiotici da actinomiceti negli anni 76. 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 ricerca classica degli actinomiceti è stata guidata dall’isolamento e dall’approccio di screening dell’attività. Considerando che la moderna ricerca sugli actinomiceti è guidata da una serie di scoperte in genetica, genomica, metagenomica, estrazione e modifica del genoma e metabolomica ad alta risoluzione, in associazione con l’approccio classico.

In Corso

Progressi cruciali nei diversi aspetti della actinomiceti di ricerca che include (1) isolamento e dereplication di attinomiceti isolati, (2) la previsione e l’identificazione di nuovi composti (3) aumentare la produzione di titoli di potenziali composti, (4) scoprendo le informazioni sul genoma e associati biosintetico potenziale, (5) la raccolta e l’elaborazione di dati genomici, (6) di data mining, la modifica e l’espressione eterologa di criptico cluster di gene, e (7) completa profilo metabolico, in un ampio spettro di settori principali come la genetica, la genomica e metabolomica.

Stabilire risorse di actinomiceti è uno dei requisiti di base per la ricerca di prodotti naturali dipendenti dalla cultura. Per affrontare questo problema, i ricercatori stanno imparando a coltivare la biodiversità inesplorata degli actinomiceti in ambienti diversi e tali sforzi hanno portato alla coltivazione di numerosi nuovi actinomiceti dai sedimenti marini (Becerril-Espinosa et al., 2013), bocche idrotermali (Thornburg et al., 2010), salterne solari (Jose e Jebakumar, 2013), terreni desertici (Mohammadipanah e Wink, 2016), terreni rossi (Guo et al., 2015), spugne (Sun et al., 2015), insetti (Matsui et al., 2012; Kurtböke et al., 2015), e piante (Masand et al., 2015). D’altra parte, la dereplicazione di ceppi isolati ha raggiunto un nuovo passo con approcci gene specifici e metabolici di impronte digitali (Hou et al., 2012; Forner et al., 2013). Collettivamente, il successo unito in isolamento e dereplication facilita la priorità degli isolati che potrebbero essere fabbriche cellulari con la capacità biosintetica innata di produrre nuovi composti. Uno di questi approcci è stato praticato per isolare 64 attinomiceti distintivi da 12 diverse specie di spugne marine e per dare la priorità a due ceppi unici che hanno mostrato attività anti-tripanosomica e unicità nel profilo metabolomico e ricchezza di prodotti naturali non identificati (Cheng et al., 2015).

La previsione e l’identificazione di nuovi composti da actinomiceti, compresi quelli con titoli a bassa produzione, sono diventati relativamente semplici attraverso l’avvento della cromatografia liquida ad alta risoluzione-spettrometria di massa (HR-LC-MS) e la ricerca di database alleati (Tawfike et al., 2013; Doroghazi et al., 2014; Wu et al., 2016). Recentemente, Wu et al. (2016) sono stati in grado di dimostrare l’impiegabilità del metodo di profilazione metabolica basato su NMR per semplificare la biotrasformazione microbica e determinare il miglior tempo di raccolta di actinomiceti per la produzione di antibiotici. Le scoperte tecniche anche nella comprensione a livello genico e nella ricombinazione dei ceppi produttori forniscono una scelta interessante per migliorare i titoli di produzione di prodotti naturali strutturalmente complessi mediante fermentazione microbica (Zhang et al., 2016).

Esplorare la biologia della produzione di metaboliti secondari negli actinomiceti attraverso la genetica ha fornito una quota importante alle nostre attuali conoscenze. L’aumento drammatico e sostenuto nella comprensione della genetica e dell’enzimologia della biosintesi secondaria dei metaboliti in actinomiceti, particolarmente Streptomyces durante gli 1990s inoltre ha facilitato la resistenza della ricerca naturale del prodotto in questo gruppo batterico ammirevole. Come base degna di nota, S. coelicolor A3(2) è stato geneticamente riconosciuto come modello per gli actinomiceti e l’intero genoma è stato annunciato con genetica versatile in vivo e in vitro (Bentley et al., 2002). L’analisi del genoma di S. coelicolor A3 (2) ha rivelato l’abbondanza di cluster di geni precedentemente non caratteristici, enzimi metabolici, in particolare quelli che potrebbero essere coinvolti nella produzione di prodotti naturali. Come ultima realizzazione, il genere di actinomiceti marini Salinispora è stato stabilito come un organismo modello robusto per la ricerca di prodotti naturali (Jensen et al., 2015). Ha notevoli capacità biosintetiche con 17 diverse vie biosintetiche di cui solo quattro erano state collegate ai rispettivi prodotti.

Le informazioni sul genoma degli actinomiceti coltivati e incolti vengono prontamente aggiornate. Oltre 1304 actinomiceti genoma sono stati segnalati come marzo 2016 e con l’avvento della genetica molecolare e l’analisi del genoma di prossima generazione osservazioni rapide sono attesi in un prossimo futuro. Le analisi dei genomi di actinomiceti hanno rivelato che numerosi cluster di geni biosintetici “criptici” o “orfani” hanno il potenziale per dirigere la produzione di un ampio numero di nuovi prodotti naturali strutturalmente diversi (Challis, 2014; Gomez-Escribano et al., 2016). Successivamente, l’estrazione del genoma degli actinomiceti ha delineato nuove direzioni negli sforzi di scoperta dei farmaci in corso. Uno di questi approcci è stato quello di estrarre una collezione di 10.000 actinomiceti per nuovi acidi fosfonici e hanno gettato le basi intriganti per una rapida scoperta su larga scala di altre classi di prodotti naturali (Ju et al., 2015).

Miglioramenti apportati nei metodi bioinformatici, particolarmente specifici per l’identificazione di cluster di geni di prodotti naturali e aiuti alla previsione funzionale nell’elaborazione di dati genomici di massa di actinomiceti (Alam et al., 2011; Doroghazi et al., 2014; Abdelmohsen et al., 2015). Tuttavia, sono necessarie informazioni sufficienti sulla biologia e sull’ecologia della produzione di antibiotici per comprendere i trigger e gli spunti precisi necessari per attivare i cluster di geni silenziosi (Abdelmohsen et al., 2015; Kolter e van Wezel, 2016).

Come un grande passo avanti, l’avvento della tecnologia di editing del DNA RNA-guided cluster regolarmente Interspaced brevi ripetizioni palindromiche (CRISPRs)/Cas9 promette sostanzialmente per l’applicazione alla modifica del genoma in cluster di geni biosintetici di actinomiceti (Huang et al., 2015). Ovviamente, questo strumento molecolare può essere utilizzato nell’ingegneria di host nativi non-modello a host di produzione eterologa per la biosintesi dei prodotti naturali desiderati. I continui progressi tecnologici e concettuali nell’ingegneria degli ospiti microbici apriranno opportunità per esplorare e sfruttare appieno il repertorio chimico immensamente diversificato della natura (Zhang et al., 2016).

Prospettive future

Gli actinomiceti sono stati riconosciuti come una delle principali fonti di biofarmaci, in particolare antibiotici, per diversi decenni. Il nostro universo è ricco di diversi ambienti inesplorati e sottoesplorati che potrebbero essere considerati per l’isolamento di nuovi membri di actinomiceti. Ciò potrebbe modificare il nostro repository di actinomiceti con una fornitura continua di nuovi cluster di geni biosintetici e scaffold di prodotti naturali su cui la ricerca attuale si riorienta. I continui progressi nella genomica e nella metabolomica riservano una ricerca di prodotti naturali di nuova generazione e scartano le più ampie opportunità sullo sfruttamento degli actinomiceti che rappresentano un asset importante per la scoperta di composti di valore farmaceutico. I progressi tecnologici e concettuali guideranno una transizione dalla “ricerca dei prodotti naturali desiderati” alla “progettazione dei prodotti desiderati” dagli actinomiceti. Attraverso questo articolo, si evince che, nonostante un declino provvisorio nella ricerca sugli actinomiceti, nuove strade sono aperte ora e cercano l’attenzione attiva dei ricercatori di tutto il mondo. Quei paesi ben dotati delle risorse naturali possono ritenere di finanziare la ricerca sui prodotti naturali microbici, in particolare la ricerca sugli actinomiceti per estendere le invenzioni di nuovi antibiotici di importanza industriale per trionfare la crescente resistenza microbica e le malattie infettive.

Contributi dell’autore

Tutti gli autori elencati, hanno dato un contributo sostanziale, diretto e intellettuale al lavoro e lo hanno approvato per la pubblicazione.

Finanziamento

Consiglio della Ricerca scientifica e industriale (CSIR; http://www.csir.res.in/), Governo dell’India; Riferimento del progetto: BSC0106-BioprosPR, e HRDG / CSIR-Nehru PDF LS/EMR-I/01/2015.

Dichiarazione sul conflitto di interessi

Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di relazioni commerciali o finanziarie che potrebbero essere interpretate come un potenziale conflitto di interessi.

Riconoscimenti

CSIR-CSMCRI Comunicazione n.: PRIS-068/2016. Il Consiglio della Ricerca Scientifica e Industriale (CSIR; www.csir.res.in), Governo dell’India (BSC0106-BioprosPR)è riconoscente. Il CSIR è ulteriormente riconosciuto da PJ per il finanziamento attraverso CSIR – Nehru Postdoctoral Research Fellowship (HRDG/CSIR-Nehru PDF LS/EMR-I/01 / 2015), alla sua ricerca sugli actinomiceti e sul loro metabolismo secondario.