Frontiers in Microbiology

Introduction

Actinomycetes zijn alomtegenwoordige Grampositieve bacteriën die een van de grootste bacteriële Fyla vormen met karakteristieke filamenteuze morfologie en hoog G+C DNA. Actinomycetes zijn erkend als eerste bron en inspiratie voor een aanzienlijke fractie van antibiotica die een belangrijke rol in de menselijke gezondheid spelen. Het meest opvallende feit is dat deze filamenteuze bacteriën zijn geëvolueerd met de rijkdom van biosynthetische genclusters en daardoor een ongekend potentieel in productie biologisch actieve natuurlijke product steigers tonen. Echter, de laatste twee decennia heeft gezien een beweging van farmaceutische reuzen weg van microbiële natuurlijke product ontdekking inspanningen, en dergelijke inspanningen blijven floreren in onderzoeksinstituten met veelbelovende resultaten. De voortdurende onderzoeksinspanningen van academische onderzoeksinstituten, met post-genomische technologische innovaties, verjongen natuurlijk productonderzoek en componeren een klaroen oproep aan wereldwijde onderzoekers voor tuning in microbiële natuurlijke producten onderzoek.

the Classic Actinomycetes Research

als we terugkijken op ongeveer 76 jaar van actinomycetes onderzoek dat gericht was op de jacht op bioactieve metabolieten van het openbaar welzijn, zijn meer dan 5000 verbindingen gerapporteerd en hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van 90% van commerciële antibiotica die gebruikt worden voor klinische of onderzoeksbehoeften. In deze lange cursus, evolueerde het actinomycetesonderzoek verscheidene aspecten van isolatie en activiteitsonderzoek aan modern post-genomic secundair metabolites onderzoek (figuur 1). Het eerste rapport van streptomycine door Selman Waksman and associates in de jaren 1940 en de daaropvolgende ontwikkeling als drug moedigde farmaceutische bedrijven en onderzoekers aan om hun grootschalige inspanningen op microbiële natuurlijke producten onderzoek te zetten (Demain and Sanchez, 2009). De inspanningen waren grotendeels afhankelijk van de terugwinning van micro-organismen uit diverse milieusteekproeven, en het screenen op de gewenste bioactiviteit. De aanpak bracht het gouden tijdperk (1950-1970) van antibiotische ontdekking die door de commercialisering van verscheidene levensreddende antibiotica met inbegrip van streptomycine, vancomycine, rifamycine, enz.wordt aangetoond (Mahajan en Balachandran, 2012). In de daaropvolgende decennia, de herontdekking van bekende verbindingen en technische uitdagingen in verband met zuivering en structuur opheldering van nieuwe verbindingen grotendeels afgenomen de klassieke inspanningen (Bérdy, 2012). Ondanks het bewijs van een daling van microbiële natuurlijke producten onderzoek, voortdurende innovaties in bemonstering en overname van potentiële actinomycetes uit eerder onontgonnen bronnen worden voortgezet door verschillende academische onderzoeksgroepen en risico ‘ s van de herontdekking van bekende samenstellingen en augmented beschikbaarheid van diverse actinomycetes die fundamentele zaken aan de lange termijn actinomycetes onderzoek.

FIGUUR 1. Grafische samenvatting van onderzoek en ontwikkelingen gericht op antibiotische ontdekking van actinomycetes meer dan 76 jaar. 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). Klassieke actinomycetes onderzoek werd gedreven door isolatie en activiteit screening aanpak. Overwegende dat het moderne actinomycetesonderzoek door reeks doorbraken in genetica, genomica, metagenomica, genoom mijnbouw en het uitgeven en metabolomics met hoge resolutie, in samenwerking met klassieke benadering wordt gedreven.

opmerking

Voortgang is van cruciaal belang in de verschillende aspecten van actinomyceten onderzoek omvat (1) isolatie en dereplication van actinomyceet isolaten, (2) voorspelling en de identificatie van de roman verbindingen, (3) het vergroten van de productie titers van potentiële verbindingen, (4) het blootleggen van genoom-informatie en de bijbehorende biosynthetische potentieel, (5) de verzameling en verwerking van genetische gegevens, (6) winning, bewerking en heterologe expressie van cryptische gen clusters, en (7) uitgebreide metabole profilering, onder een breed spectrum van de belangrijkste gebieden, zoals de genetica, genomics en metabolomics.

het tot stand brengen van actinomycete-hulpbronnen is een van de basisvereisten voor onderzoek naar cultuurafhankelijke natuurlijke producten. Om dit aan te pakken, leren onderzoekers hoe de onontgonnen actinomycet biodiversiteit in diverse omgevingen te cultiveren en dergelijke inspanningen hebben geleid tot de teelt van talrijke nieuwe actinomycetes uit mariene sedimenten (Becerril-Espinosa et al., 2013), hydrothermale bronnen (Thornburg et al., 2010), solar salterns (Jose and Jebakumar, 2013), desert soils (Mohammadipanah and Wink, 2016), red soils (Guo et al., 2015), sponges (Sun et al., 2015), insecten (Matsui et al., 2012; Kurtböke et al., 2015), en planten (Masand et al., 2015). Aan de andere kant, dereplicatie van geïsoleerde stammen heeft een nieuwe toonhoogte bereikt met Gen specifieke evenals metabolische fingerprinting benaderingen (Hou et al., 2012; Forner et al., 2013). Collectief, vergemakkelijkt het verenigde succes in isolatie en dereplicatie de prioritering van de isolaten die cellulaire fabrieken met het ingeboren biosynthetische vermogen zouden kunnen zijn om nieuwe samenstellingen te produceren. Een dergelijke benadering is beoefend om 64 onderscheidende actinomycetes van 12 verschillende mariene sponssoorten te isoleren, en om prioriteit te geven aan twee unieke stammen die anti-trypanosomale activiteit evenals uniciteit in metabolomic profiel en rijkdom van niet-geïdentificeerde natuurlijke producten (Cheng et al., 2015).

voorspelling en identificatie van nieuwe verbindingen van actinomycetes met inbegrip van die met lage productietiters zijn relatief eenvoudig geworden door de komst van hoge-resolutie vloeistofchromatografie-massaspectrometrie (HR-LC-MS) en allied database search (Tawfike et al., 2013; Doroghazi et al., 2014; Wu et al., 2016). Onlangs, Wu et al. (2016) konden de inzetbaarheid van NMR-gebaseerde metabolische profileringsmethode aantonen om microbiële biotransformatie te stroomlijnen en de beste oogsttijd van actinomycetes voor antibiotische productie te bepalen. Technische doorbraken ook in Gen niveau begrip en recombineren van producent stammen bieden een aantrekkelijke keuze om de productie titers van structureel complexe natuurlijke producten te verbeteren door microbiële fermentatie (Zhang et al., 2016).

het onderzoek naar de biologie van de productie van secundaire metabolieten in actinomycetes door middel van genetica heeft een belangrijk deel van onze huidige kennis opgeleverd. De dramatische en aanhoudende verhoging van het begrip van de genetica en de enzymologie van secundaire metabolites biosynthese in actinomycetes, vooral Streptomyces door de jaren 1990 hebben ook het uithoudingsvermogen van natuurlijk productonderzoek in deze bewonderenswaardige bacteriële groep vergemakkelijkt. Als een opmerkelijke stichting, S. coelicolor A3 (2) is genetisch erkend als een model voor de actinomycetes, en het hele genoom werd aangekondigd met veelzijdige in vivo en in vitro genetica (Bentley et al., 2002). De genoomanalyse van S. coelicolor A3 (2) heeft de overvloed van eerder niet gekarakteriseerde genclusters, metabolische enzymen, in het bijzonder die waarschijnlijk bij de productie van natuurlijke producten worden betrokken geopenbaard. Als een laatste prestatie, de mariene actinomycete genus Salinispora is vastgesteld als een robuust model organisme voor natuurproduct onderzoek (Jensen et al., 2015). Het heeft opmerkelijke biosynthetische capaciteiten met 17 diverse biosynthetische wegen waarvan slechts vier met hun respectieve producten waren verbonden.

de genoominformatie van gekweekte en niet-gekweekte actinomycetes wordt onmiddellijk bijgewerkt. Meer dan 1304 actinomycetes genoom is gemeld zoals op maart 2016 en met de komst van moleculaire genetica en volgende-generatie genoomanalyse snelle inzendingen worden verwacht in nabije toekomst. Analyses van genomen van actinomycetes hebben aangetoond dat talrijke ‘cryptische’ of ‘orphan’ biosynthetische genclusters met het potentieel om de productie van een ruim aantal nieuwe, structureel diverse natuurlijke producten te leiden (Challis, 2014; Gomez-Escribano et al., 2016). Later, heeft de mijnbouw van actinomycetes genoom nieuwe richtingen in de lopende inspanningen van de drugontdekking geschetst. Een dergelijke aanpak is geweest om mijn een verzameling van 10.000 actinomycetes voor nieuwe fosfonzuren, en hebben een intrigerende basis gelegd voor snelle, grootschalige ontdekking van andere klassen van natuurlijke producten (Ju et al., 2015).

verbeteringen aangebracht in de bioinformaticamethoden, met name specifiek voor de identificatie van de gencluster van natuurlijke produkten en functionele voorspellingshulpmiddelen bij de verwerking van genomische gegevens in bulk van actinomycetes (Alam et al., 2011; Doroghazi et al., 2014; Abdelmohsen et al., 2015). Echter, voldoende inzicht in de biologie en ecologie van antibiotische productie nodig zijn om de precieze triggers en aanwijzingen die nodig zijn om stille genclusters te activeren begrijpen (Abdelmohsen et al., 2015; Kolter en van Wezel, 2016).

als een grote doorbraak, de komst van RNA-geleide DNA-editing technologie Clustered regelmatig Interspaced korte Palindromic Repeats (CRISPRs)/Cas9 substantieel belooft voor toepassing op genoom modificatie in biosynthetische genclusters van actinomycetes (Huang et al., 2015). Uiteraard kan dit moleculaire hulpmiddel worden gebruikt in de engineering van niet-model inheemse gastheren aan heterologe productie gastheren voor de biosynthese van gewenste natuurlijke producten. Voortdurende technologische en conceptuele vooruitgang in engineering microbiële gastheren zullen kansen openen om volledig te verkennen en benutten van de natuur immens diverse chemische repertoire (Zhang et al., 2016).

toekomstperspectieven

Actinomycetes zijn gedurende meerdere decennia erkend als een belangrijke bron van Biofarmaceutica, met name antibiotica. Ons universum is rijk aan diverse onontgonnen en onderexploreerde omgevingen die kunnen worden overwogen voor isolatie van nieuwe leden van actinomycetes. Dit zou onze actinomycetes repository met een ononderbroken levering van nieuwe biosynthetische genclusters en natuurlijke productsteigers kunnen wijzigen waarop huidig onderzoek reorient op. De voortdurende vooruitgang in genomics en metabolomics reserveert een onderzoek van de volgende generatie natuurlijke producten en unwrap de bredere kansen op de exploitatie van actinomycetes die een belangrijk actief voor de ontdekking van farmaceutisch waardevolle samenstellingen vertegenwoordigen. De technologische en conceptuele vooruitgang zal leiden tot een overgang van “zoeken naar gewenste natuurlijke producten” naar “ontwerpen voor gewenste producten” van actinomycetes. Door middel van dit artikel, wordt aangetoond dat ondanks een tussentijdse daling in actinomycetes onderzoek, nieuwe wegen zijn nu open en zoeken de actieve aandacht van onderzoekers over de hele wereld. Die landen goed begiftigd met de natuurlijke hulpbronnen kunnen overwegen om microbiële natuurlijke producten onderzoek te financieren vooral actinomycetes onderzoek voor de uitbreiding van de uitvindingen van nieuwe antibiotica van industriële betekenis Om de escalerende microbiële resistentie en infectieziekten te overwinnen.

Auteursbijdragen

alle genoemde auteurs hebben een aanzienlijke, directe en intellectuele bijdrage aan het werk geleverd en het voor publicatie goedgekeurd.

financiering

Raad voor Wetenschappelijk en industrieel onderzoek (CSIR; http://www.csir.res.in/), regering van India; Projectreferentie: BSC0106-BioprosPR en HRDG / CSIR-Nehru PDF LS / EMR-I / 01 / 2015.

belangenverstrengeling verklaring

de auteurs verklaren dat het onderzoek werd uitgevoerd zonder enige commerciële of financiële relatie die als een potentieel belangenconflict kon worden opgevat.

Dankbetuigingen

CSIR-CSMCRI Communication No.: PRIS-068/2016. De Raad voor Wetenschappelijk en industrieel onderzoek (CSIR; www.csir.res.in), wordt de regering van India (BSC0106-BioprosPR) dankbaar erkend. Het CSIR wordt verder erkend door PJ voor de financiering via CSIR-Nehru Postdoctoral Research Fellowship (HRDG/CSIR-Nehru PDF LS/EMR-I/01/2015), voor zijn onderzoek naar actinomycetes en hun secundaire metabolisme.