Frontiers in Microbiology

wprowadzenie

Actinomycetes to wszechobecne bakterie Gram-dodatnie, które stanowią jedną z największych bakterii o charakterystycznej morfologii nitkowatej i wysokim DNA G+C. Promieniowce zostały uznane za główne źródło i inspirację dla znacznej części antybiotyków, które odgrywają ważną rolę w zdrowiu człowieka. Najbardziej uderzającym faktem jest to, że te nitkowate bakterie wyewoluowały z bogactwem biosyntetycznych klastrów genów, a tym samym wykazują bezprecedensowy potencjał w produkcji biologicznie aktywnych rusztowań produktów naturalnych. Jednak w ciągu ostatnich dwóch dekad giganci farmaceutyczni odeszli od wysiłków na rzecz odkrywania naturalnych produktów drobnoustrojów, a takie wysiłki nadal rozwijają się w instytutach badawczych z obiecującymi wynikami. Ciągłe wysiłki badawcze akademickich instytutów badawczych, z post-genomowych innowacji technologicznych, odmłodzić badania produktów naturalnych i skomponować wezwanie clarion do naukowców na całym świecie do dostrojenia do badań mikrobiologicznych produktów naturalnych.

Klasyczne badania Actinomycetes

jeśli spojrzymy wstecz na około 76 lat badań nad actinomycetes, które koncentrowały się na polowaniu na bioaktywne metabolity dobra publicznego, odnotowano ponad 5000 związków i przyczyniło się do rozwoju 90% komercyjnych antybiotyków stosowanych zarówno do potrzeb klinicznych, jak i badawczych. W tym długim toku badania nad promieniowcami rozwinęły kilka aspektów od izolacji i przesiewania aktywności do nowoczesnych badań nad wtórnymi metabolitami po genomowym (ryc. 1). Pierwszy raport o streptomycynie autorstwa Selmana Waksmana i współpracowników w latach 40. i późniejszy rozwój leku zachęcił firmy farmaceutyczne i naukowców do podjęcia wysiłków na dużą skalę w zakresie badań nad drobnoustrojowymi produktami naturalnymi (Demain and Sanchez, 2009). Wysiłki były w dużej mierze zależne od odzyskiwania mikroorganizmów z różnych próbek środowiskowych i badań przesiewowych pod kątem pożądanej bioaktywności. Podejście to przyniosło złotą erę (1950-1970) odkrycia antybiotyków, czego dowodem jest komercjalizacja kilku ratujących życie antybiotyków, w tym streptomycyny, wankomycyny, ryfamycyny i tak dalej (Mahajan and Balachandran, 2012). W kolejnych dziesięcioleciach ponowne odkrycie znanych związków i wyzwania techniczne związane z oczyszczaniem i wyjaśnianiem struktury nowych związków w dużej mierze odrzuciły Klasyczne wysiłki (Bérdy, 2012). Pomimo dowodów na spadek badań nad drobnoustrojami naturalnymi, kilka akademickich grup badawczych kontynuuje dalsze innowacje w zakresie pobierania próbek i pozyskiwania potencjalnych promieniowców z niezbadanych wcześniej źródeł i łagodzi ryzyko ponownego odkrycia znanych związków i zwiększonej dostępności różnorodnych promieniowców, które są podstawowymi kwestiami w długoterminowych badaniach promieniowców.

RYSUNEK 1. Graficzne podsumowanie badań i rozwoju skoncentrowane na odkryciu antybiotyków z promieniowców w ciągu 76 lat. 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). Klasyczne badania actinomycetes były napędzane przez izolację i podejście do przesiewania aktywności. Współczesne badania nad promieniowcami są napędzane przez szereg przełomów w genetyce, genomice, metagenomice, eksploracji i edycji genomu oraz metabolomice o wysokiej rozdzielczości, w połączeniu z klasycznym podejściem.

w toku

postęp ma kluczowe znaczenie w kilku aspektach badań nad promieniowcami, które obejmują (1) izolację i dereplikację izolatów promieniowców, (2) przewidywanie i identyfikację nowych związków, (3) zwiększanie mian produkcji potencjalnych związków, (4) odkrywanie informacji o genomie i powiązanym potencjale biosyntetycznym, (5) gromadzenie i przetwarzanie danych genomowych, (6) wydobycie, edycję i heterologiczną ekspresję tajemniczych klastrów genów i (7) kompleksowe profilowanie metaboliczne, w szerokim spektrum głównych dziedzin, takich jak genetyka, genomika i metabolomika.

ustanowienie zasobów promieniowców jest jednym z podstawowych wymogów w zakresie badań produktów naturalnych zależnych od kultury. Aby temu zaradzić, naukowcy uczą się, jak uprawiać niezbadaną bioróżnorodność promieniowców w różnych środowiskach, a takie wysiłki doprowadziły do uprawy wielu nowych promieniowców z osadów morskich (Becerril-Espinosa et al., 2013), kominy hydrotermalne (Thornburg et al., 2010), Solar salterns (Jose and Jebakumar, 2013), desert soils (Mohammadipanah and Wink, 2016), red soils (Guo et al., 2015), gąbki (Sun et al., 2015), owady (Matsui et al., 2012; Kurtböke et al., 2015) i roślin (Masand et al., 2015). Z drugiej strony, dereplikacja izolowanych szczepów osiągnęła nowy poziom dzięki specyficznym dla genów, a także metodom pobierania odcisków palców metabolicznych (Hou et al., 2012; Forner et al., 2013). Łącznie, wspólny sukces w izolacji i dereplikacji ułatwia priorytetyzację izolatów, które mogą być fabrykami komórkowymi z wrodzoną zdolnością biosyntetyczną do wytwarzania nowych związków. Jeden taki podejście praktykował izolować 64 odróżniający actinomycetes od 12 różny morski gąbka gatunek, i priorytet dwa unikalny szczep który pokazywał anty-trypanosomal aktywność as well as wyjątkowość w metabolomic profil i bogactwo niezidentyfikowany naturalny produkt (Cheng et al., 2015).

przewidywanie i identyfikacja nowych związków z promieniowców, w tym tych o niskich mianach produkcyjnych, stała się stosunkowo prosta dzięki pojawieniu się chromatografii cieczowej o wysokiej rozdzielczości-spektrometrii masowej (HR-LC-MS) i sprzymierzonym wyszukiwaniu w bazie danych (tawfike et al., 2013; Doroghazi et al., 2014; Wu et al., 2016). Ostatnio Wu et al. (2016) byli w stanie wykazać możliwość zastosowania metody profilowania metabolicznego opartej na NMR w celu usprawnienia biotransformacji drobnoustrojów i określenia najlepszego czasu zbioru promieniowców do produkcji antybiotyków. Przełomy TECHNICZNE również w zrozumieniu poziomu genów i rekombinacji szczepów producentów zapewniają atrakcyjny wybór w celu poprawy mian produkcji strukturalnie złożonych produktów naturalnych przez fermentację mikrobiologiczną (Zhang et al., 2016).

badanie biologii produkcji wtórnych metabolitów w promienicy poprzez genetykę zapewniło główny udział w naszej obecnej wiedzy. Dramatyczny i trwały wzrost w zrozumieniu genetyki i enzymologii wtórnych metabolitów biosyntezy w actinomycetes, zwłaszcza Streptomyces w całym 1990 roku ułatwiły również wytrzymałość poszukiwania produktów naturalnych w tej godnej podziwu grupie bakterii. Jako godny uwagi fundament, S. coelicolor A3(2) został genetycznie uznany za model dla promieniowców, a cały genom został ogłoszony z wszechstronnymi genetykami in vivo i in vitro (Bentley et al., 2002). Analiza genomu S. coelicolor A3 (2) ujawnił obfitość wcześniej nietypowych klastrów genów, enzymów metabolicznych, szczególnie tych, które mogą być zaangażowane w produkcję produktów naturalnych. Jako najnowsze osiągnięcie, Marine actinomycete rodzaj Salinispora został ustanowiony jako solidny organizm modelowy do badań produktów naturalnych(Jensen et al., 2015). Ma niezwykłe zdolności biosyntetyczne z 17 różnymi ścieżkami biosyntetycznymi, z których tylko cztery zostały połączone z odpowiednimi produktami.

informacje o genomie hodowanych i niekulturalnych promieniowców są natychmiast aktualizowane. W marcu 2016 r. odnotowano ponad 1304 genomów actinomycetes, a wraz z pojawieniem się Genetyki Molekularnej i analizy genomu nowej generacji oczekuje się szybkich zgłoszeń w najbliższej przyszłości. Analizy genomów promieniowców wykazały, że liczne „tajemnicze” lub „sieroce” biosyntetyczne klastry genów o potencjale kierowania produkcją dużej liczby nowych, zróżnicowanych strukturalnie produktów naturalnych (Challis, 2014; Gomez-Escribano et al., 2016). Następnie wydobycie genomu actinomycetes naszkicowało nowe kierunki w trwających wysiłkach na rzecz odkrywania leków. Jednym z takich podejść było wydobycie kolekcji 10 000 promieniowców dla nowych kwasów fosfonowych i położyło intrygujący fundament pod szybkie, na dużą skalę odkrycie innych klas produktów naturalnych(Ju et al., 2015).

ulepszenia wprowadzone w metodach bioinformatycznych, szczególnie specyficzne dla identyfikacji klastrów genowych produktów naturalnych i pomocy w przewidywaniu funkcjonalnym w przetwarzaniu masowych danych genomowych promieniowców (Alam et al., 2011; Doroghazi et al., 2014; Abdelmohsen et al., 2015). Jednak wystarczający wgląd w biologię i ekologię produkcji antybiotyków jest potrzebny do zrozumienia precyzyjnych wyzwalaczy i sygnałów wymaganych do aktywacji cichych klastrów genów (Abdelmohsen et al., 2015; Kolter i van Wezel, 2016).

jako wielki przełom, pojawienie się technologii edycji DNA kierowanej RNA skupiło regularnie przeplatane krótkie powtórzenia Palindromiczne (CRISPRs)/Cas9 zasadniczo obiecuje zastosowanie do modyfikacji genomu w biosyntetycznych klastrach genów promieniowców (Huang et al., 2015). Oczywiście, to narzędzie molekularne może być stosowane w inżynierii Nie – modelowych rodzimych gospodarzy do heterologicznych gospodarzy produkcyjnych do biosyntezy pożądanych produktów naturalnych. Ciągły postęp technologiczny i koncepcyjny w inżynierii mikroorganizmów gospodarzy otworzy możliwości pełnego zbadania i wykorzystać niezwykle zróżnicowany repertuar chemiczny Natury (Zhang et al., 2016).

perspektywy na przyszłość

promieniowce zostały uznane za główne źródło biofarmaceutyków, zwłaszcza antybiotyków, przez kilka dziesięcioleci. Nasz wszechświat jest bogaty w różnorodne niezbadane i niedoświadczone środowiska, które można rozważyć w celu izolacji nowych członków actinomycetes. Może to zmienić nasze repozytorium actinomycetes z ciągłym dostarczaniem nowych biosyntetycznych klastrów genów i rusztowań produktów naturalnych, na których obecne badania zmieniają kierunek. Dalsze postępy w genomice i metabolomice rezerwują badania nad naturalnymi produktami nowej generacji i rozwijają szersze możliwości wykorzystania promieniowców, które stanowią ważny atut dla odkrycia farmaceutycznie cennych związków. Postęp technologiczny i koncepcyjny doprowadzi do przejścia od „poszukiwania pożądanych produktów naturalnych „do” projektowania pożądanych produktów ” z promieniowców. Dzięki temu artykułowi widać, że pomimo tymczasowego spadku badań nad promieniowcami, nowe drogi są teraz otwarte i szukają aktywnej uwagi naukowców na całym świecie. Kraje te, dobrze wyposażone w zasoby naturalne, mogą uznać, że finansują badania nad mikrobiologicznymi produktami naturalnymi, zwłaszcza badania nad promieniowcami, aby rozszerzyć wynalazki nowych antybiotyków o znaczeniu przemysłowym, aby triumfować w eskalacji odporności mikrobiologicznej i chorobach zakaźnych.

wkład autora

wszyscy autorzy wymienieni, wnieśli znaczący, bezpośredni i intelektualny wkład w pracę i zatwierdzili ją do publikacji.

finansowanie

Rada Badań Naukowych i przemysłowych (CSIR; http://www.csir.res.in/), rząd Indii; odniesienie do projektu: BSC0106-BioprosPR i HRDG/CSIR-Nehru PDF LS/EMR-I/01 / 2015.

Oświadczenie o konflikcie interesów

autorzy oświadczają, że badanie zostało przeprowadzone przy braku jakichkolwiek relacji handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.

podziękowania

CSIR-CSMCRI Communication No.: PRIS-068/2016. Rada Badań Naukowych i przemysłowych (CSIR; www.csir.res.in), rząd Indii (BSC0106-BioprosPR). CSIR jest ponadto uznawany przez PJ za finansowanie przez CSIR-Nehru Postdoctoral Research Fellowship (HRDG/CSIR-Nehru PDF LS/EMR-I/01/2015), do jego badań nad promieniowcami i ich metabolizmem wtórnym.