Frontiers in Microbiology

Innledning

Actinomycetes er Allestedsnærværende Gram-positive bakterier som utgjør en av de største bakterielle phyla med karakteristisk filamentøs morfologi og høyt G+C DNA. Actinomycetene har blitt anerkjent som fremste kilde og inspirasjon for en betydelig del av antibiotika som spiller en viktig rolle i menneskers helse. Det mest slående faktum er at disse filamentøse bakteriene har utviklet seg med rikdom av biosyntetiske genklynger og dermed viser et hidtil uset potensial i produksjon biologisk aktive naturproduktstillas. Imidlertid har de siste to tiårene sett et trekk fra farmasøytiske giganter bort fra mikrobiell naturproduktoppdagelsesinnsats, og slike anstrengelser fortsetter å blomstre i forskningsinstitutter med lovende resultater. Den fortsatte forskningsinnsatsen fra akademiske forskningsinstitutter, med post-genomiske teknologiske innovasjoner, forynger naturproduktforskning og komponerer et clarion-kall til verdensomspennende forskere for å stille inn mikrobiell naturproduktforskning.

Den Klassiske Actinomycetes Forskning

hvis vi ser tilbake til ca 76 år med actinomycetes forskning som fokuserte på jakt bioaktive metabolitter av offentlig velferd, over 5000 forbindelser har blitt rapportert og bidratt til utvikling av 90% av kommersielle antibiotika som brukes for enten klinisk eller forskningsbehov. I dette lange kurset utviklet actinomycetes forskning flere aspekter fra isolasjons – og aktivitetsscreening til moderne post-genomisk sekundær metabolitterforskning (Figur 1). Den første rapporten om streptomycin Av Selman Waksman og associates i 1940s og påfølgende utvikling som narkotika oppfordret farmasøytiske selskaper og forskere til å sette sin store innsats på mikrobiell naturproduktforskning (Demain Og Sanchez, 2009). Innsatsen var i stor grad avhengig av utvinning av mikroorganismer fra ulike miljøprøver, og screening for ønsket bioaktivitet. Tilnærmingen brakte golden era (1950-1970) av antibiotika funn dokumentert av kommersialisering av flere livreddende antibiotika inkludert streptomycin, vancomycin, rifamycin, og så videre (Mahajan Og Balachandran, 2012). I de påfølgende tiårene, gjenoppdagelsen av kjente forbindelser og tekniske utfordringer knyttet til rensing og struktur belysning av nye forbindelser i stor grad avvist den klassiske innsatsen (Bé, 2012). Til tross for bevis på en nedgang i mikrobiell naturprodukter forskning, fortsatte innovasjoner i prøvetaking og oppkjøp av potensielle actinomycetes fra tidligere uutforskede kilder blir videreført av flere akademiske forskningsgrupper og redusere risikoen for gjenoppdagelse av kjente forbindelser og utvidet tilgjengelighet av ulike actinomycetes som er grunnleggende saker til langsiktig actinomycetes forskning.

FIGUR 1. Grafisk oppsummering av forskning og utvikling fokusert på antibiotika funn 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 ble drevet av isolasjon og aktivitet screening tilnærming. Mens moderne actinomycetes forskning er drevet av en rekke gjennombrudd i genetikk, genomikk, metagenomikk, genomutvinning og redigering og høyoppløselig metabolomikk, i forbindelse med klassisk tilnærming.

Pågår

Fremgang er avgjørende i flere aspekter av actinomyceteforskning som inkluderer (1) isolering og dereplikasjon av actinomyceteisolater, (2) prediksjon og identifikasjonsromanforbindelser, (3) forbedring av produksjonstitere av potensielle forbindelser, (4) avdekking av genominformasjon og tilhørende biosyntetisk potensial, (5) innsamling og behandling av genomdata, (6) gruvedrift, redigering og heterolog ekspresjon av kryptiske genklynger, og (7) omfattende metabolsk profilering, under et bredt spekter av hovedområder som genetikk, Genomikk Og metabolomikk.

Etablering av actinomycete-ressurser er et av de grunnleggende kravene til kulturavhengig naturproduktforskning. For å løse dette, er forskere lære å dyrke uutforsket actinomycete biologisk mangfold i ulike miljøer, og slik innsats har ført til dyrking av mange nye actinomycetes fra marine sedimenter (Becerril-Espinosa et al., 2013), hydrotermiske ventiler (Thornburg et al., 2010), solsalterner (Jose Og Jebakumar, 2013), ørkenjord (Mohammadipanah og Wink, 2016), røde jordarter (Guo et al., 2015), svamper (Sun Et al., 2015), insekter (Matsui et al., 2012; Kurtbö et al., 2015), og planter (Masand et al., 2015). På den annen side har dereplikasjon av isolerte stammer oppnådd en ny tonehøyde med genspesifikke så vel som metabolske fingerprinting tilnærminger (Hou et al., 2012; Forner et al., 2013). Samlet sett letter den forente suksessen i isolasjon og dereplikasjon prioriteringen av isolatene som kan være cellulære fabrikker med den medfødte biosyntetiske evnen til å produsere nye forbindelser. En slik tilnærming har blitt praktisert for å isolere 64 karakteristiske actinomycetes fra 12 forskjellige marine svamparter, og å prioritere to unike stammer som viste anti-trypanosomal aktivitet, samt unikhet i metabolomisk profil og rikdom av uidentifiserte naturlige produkter (Cheng et al., 2015).

Prediksjon og identifisering av nye forbindelser fra actinomycetes inkludert de med lav produksjon titere har blitt relativt rett frem gjennom bruk av høyoppløselig væskekromatografi-massespektrometri (HR-LC-MS) og allierte database søk (Tawfike et al., 2013; Doroghazi et al., 2014; Wu et al., 2016). Nylig, Wu et al. (2016) var i stand til å demonstrere brukbarheten AV NMR-basert metabolsk profileringsmetode for å strømlinjeforme mikrobiell biotransformasjon og å bestemme den beste høsttiden for actinomycetene for antibiotikaproduksjon. Tekniske gjennombrudd også i gennivå forståelse og rekombinering av produsentstammer gir et attraktivt valg for å forbedre produksjonstitere av strukturelt komplekse naturlige produkter ved mikrobiell gjæring(Zhang et al ., 2016).

Å Utforske biologien til sekundær metabolitterproduksjon i actinomycetene gjennom genetikk har gitt en fremste andel til vår nåværende kunnskap. Dramatisk og vedvarende økning i forståelse av genetikk og enzymologi av sekundære metabolitter biosyntese i actinomycetes, spesielt Streptomyces gjennom 1990-tallet, har også muliggjort utholdenhet av naturlig produktsøk i denne beundringsverdige bakteriegruppen. Som et bemerkelsesverdig grunnlag Har S. coelicolor A3 (2) genetisk blitt anerkjent som en modell for actinomycetene, og hele genomet ble annonsert med allsidig in vivo og in vitro genetikk (Bentley et al., 2002). Genomet analyse Av S. coelicolor A3 (2) har avslørt overflod av tidligere ukarakteriserte genklynger, metabolske enzymer, spesielt de som sannsynligvis vil være involvert i produksjon av naturlige produkter. Som en siste prestasjon er marine actinomycete genus Salinispora etablert som en robust modellorganisme for naturproduktforskning (Jensen et al., 2015). Den har bemerkelsesverdig biosyntetisk kapasitet med 17 forskjellige biosyntetiske veier hvorav bare fire hadde vært knyttet til deres respektive produkter.

genomet informasjon av kultiverte og ukultiverte actinomycetes blir raskt oppdatert. Over 1304 actinomycetes genom har blitt rapportert Som I Mars 2016, og med advent av molekylær genetikk og neste generasjons genomanalyse forventes raske innleveringer i nær fremtid. Analyser av genomer av actinomycetes har avslørt at mange ‘kryptiske ‘ eller’ foreldreløse ‘ biosyntetiske genklynger med potensial til å lede produksjonen av et stort antall nye, strukturelt mangfoldige naturlige produkter (Challis, 2014; Gomez-Escribano et al., 2016). Deretter har gruvedrift av actinomycetes genom skissert nye retninger i den pågående narkotikaoppdagelsesarbeidet. En slik tilnærming har vært å utvinne en samling av 10,000 actinomycetes for nye fosfonsyrer, og har lagt et spennende grunnlag for rask, storskala oppdagelse av andre klasser av naturlige produkter(Ju et al ., 2015).

Forbedringer gjort i bioinformatikk metoder, spesielt spesifikke for naturlig produkt genet klynge identifikasjon og funksjonelle prediksjon hjelpemidler i behandlingen av bulk genomiske data av actinomycetes (Alam et al., 2011; Jørgen et al., 2014; Abdelmohsen et al., 2015). Imidlertid er tilstrekkelig innsikt i biologi og økologi av antibiotikaproduksjon nødvendig for å forstå de nøyaktige utløsere og signaler som kreves for å aktivere stille genklynger (Abdelmohsen et al.(2015; Kolter og van Wezel, 2016).

som et stort gjennombrudd, advent AV RNA-guidet DNA redigering teknologi Gruppert Regelmessig Interspaced Kort Palindromic Gjentar (CRISPRs) / Cas9 vesentlig løfter for søknad til genom modifikasjon i biosyntetiske genet klynger av actinomycetes (Huang et al., 2015). Åpenbart kan dette molekylære verktøyet brukes i prosjektering av ikke-modell innfødte verter til heterologe produksjonsverter for biosyntese av ønskede naturlige produkter. Fortsatt teknologiske og konseptuelle fremskritt i ingeniør mikrobielle verter vil åpne opp muligheter til å fullt ut utforske Og utnytte Naturens uhyre varierte kjemiske repertoar (Zhang et al., 2016).

Future Perspectives

Actinomycetes har blitt anerkjent som en fremste kilde til biopharmaceuticals spesielt antibiotika over flere tiår. Vårt univers er rikt på ulike uutforskede og underutforskede miljøer som kan vurderes for isolering av nye medlemmer av actinomycetes. Dette kan endre vårt actinomycetes-depot med en kontinuerlig tilførsel av nye biosyntetiske genklynger og naturproduktstillas som dagens forskning reorienterer på. Fortsatte fremskritt innen genomikk og metabolomikk reserverer en neste generasjons naturproduktforskning og pakker ut de bredere mulighetene for utnyttelse av actinomycetene som representerer en viktig ressurs for oppdagelsen av farmasøytisk verdifulle forbindelser. De teknologiske og konseptuelle fremskrittene vil drive en overgang av «søker etter ønskede naturlige produkter» til «design for ønskede produkter» fra actinomycetes. Gjennom denne artikkelen er det evinced at til tross for en midlertidig nedgang i actinomycetes forskning, er nye veier åpne nå og søker aktiv oppmerksomhet fra forskere over hele verden. De landene som er godt utstyrt med naturressursene, kan anse å finansiere mikrobiell naturproduktforskning, spesielt actinomycetesforskning for å utvide oppfinnelsene av nye antibiotika av industriell betydning for å triumfere den eskalerende mikrobielle resistensen og smittsomme sykdommer.

Forfatterbidrag

alle forfattere oppført, har gjort betydelige, direkte og intellektuelle bidrag til arbeidet, og godkjent det for publisering.

Finansiering

Rådet For Vitenskapelig Og Industriell Forskning (CSIR; http://www.csir.res.in/), Indias Regjering; Prosjektreferanse: BSC0106-BioprosPR, OG HRDG / CSIR-Nehru PDF LS/EMR-i/01 / 2015.

Interessekonflikt

forfatterne erklærer at forskningen ble utført i fravær av kommersielle eller økonomiske forhold som kan tolkes som en potensiell interessekonflikt.

Bekreftelser

CSIR-CSMCRI Kommunikasjon Nr.: PRIS-068/2016. Rådet For Vitenskapelig Og Industriell Forskning (CSIR; www.csir.res.in), Indias Regjering (Bsc0106-BioprosPR) er takknemlig anerkjent. CSIR er videre anerkjent AV PJ for finansieringen GJENNOM CSIR-Nehru Postdoctoral Research Fellowship (HRDG/CSIR-NEHRU PDF LS/EMR-i/01/2015), til sin forskning på actinomycetes og deres sekundære metabolisme.