Frontiers in Microbiology

Introduction

Actinomycetes são bactérias Gram-positivas omnipresentes que constituem um dos maiores filos bacterianos com morfologia filamentosa característica e ADN G+C. Os actinomycetes têm sido reconhecidos como a principal fonte e inspiração para uma fração substancial de antibióticos que desempenham um papel importante na saúde humana. O fato mais marcante é que estas bactérias filamentosas evoluíram com a riqueza de clusters de genes biossintéticos e, assim, mostram um potencial sem precedentes na produção de andaimes de produtos naturais biologicamente ativos. No entanto, nas últimas duas décadas, os gigantes farmacêuticos afastaram-se dos esforços de descoberta de produtos naturais microbianos, e esses esforços continuam a florescer em institutos de investigação com resultados promissores. Os esforços contínuos de pesquisa dos institutos de pesquisa acadêmica, com inovações tecnológicas pós-genômicas, rejuvenescem a pesquisa de produtos naturais e compõem um apelo clarion para pesquisadores de todo o mundo para sintonizar a pesquisa de produtos naturais microbianos.

O Clássico Actinomiceto de Pesquisa

Se a gente olhar para trás, para cerca de 76 anos do actinomiceto de investigação que incidiu sobre a caça de metabólitos bioativos de bem-estar público, mais de 5000 compostos têm sido relatadas e contribuíram para o desenvolvimento de 90% dos comerciais de antibióticos, sendo utilizado para a clínica ou necessidades de pesquisa. Neste longo curso, a pesquisa de actinomycetes evoluiu de vários aspectos desde o isolamento e rastreio da actividade até à investigação moderna de metabolitos secundários pós-genómicos (Figura 1). O primeiro relatório da estreptomicina por Selman Waksman and associates na década de 1940 e subsequente desenvolvimento como droga incentivou as empresas farmacêuticas e pesquisadores a colocar seus esforços em larga escala em pesquisa de produtos naturais microbianos (Demain e Sanchez, 2009). Os esforços foram em grande parte dependendo da recuperação de microrganismos a partir de diversas amostras ambientais, e triagem para a bioatividade desejada. A abordagem trouxe a era dourada (1950-1970) da descoberta de antibióticos evidenciada pela comercialização de vários antibióticos salva-vidas, incluindo estreptomicina, vancomicina, rifamicina, e assim por diante (Mahajan e Balachandran, 2012). Nas décadas seguintes, a redescoberta de compostos conhecidos e os desafios técnicos associados com a purificação e a elucidação da estrutura de novos compostos diminuíram em grande parte os esforços clássicos (Bérdy, 2012). Apesar da evidência de uma redução microbiana de pesquisa de produtos naturais, inovações nas amostragem e aquisição de potencial actinomiceto de anteriormente não exploradas fontes estão sendo continuado por vários grupos de pesquisa acadêmica e mitigar riscos de redescoberta de conhecidos compostos e aumentada a disponibilidade de diversos actinomiceto que são questões fundamentais para o longo prazo actinomiceto de pesquisa.

FIGURA 1. O resumo gráfico da pesquisa e desenvolvimentos focados na descoberta de antibióticos por actinomycetes ao longo de 76 anos. 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 investigação clássica dos actinomycetes foi impulsionada pelo isolamento e pela abordagem de rastreio da actividade. Considerando que a pesquisa moderna de actinomycetes é impulsionada por uma série de descobertas em genética, genómica, metagenómica, mineração e edição de genomas e Metabolómica de alta resolução, em associação com a abordagem clássica.

Em Andamento

> > Progresso é fundamental em vários aspectos do actinomiceto de investigação que inclui (1) o isolamento e a dereplication de actinomyces isola, (2) a previsão e identificação de novos compostos, (3) aumentando a produção de títulos de potencial compostos, (4) revelar informações relativas ao genoma e associados potencial biossintético, (5) coleta e processamento de dados genômicos, (6) e de minas, edição e heterologous expressão enigmática gene clusters, e (7) o perfil metabólico abrangente, sob um amplo espectro de áreas principais como a genética, a genômica e Metabolómica.O estabelecimento de recursos de actinomicetes é um dos requisitos básicos para a investigação de produtos naturais dependentes da cultura. Para abordar esta questão, os investigadores estão a aprender a cultivar a biodiversidade dos Actinomycetes inexplorada em diversos ambientes e esses esforços levaram ao cultivo de numerosos actinomycetes novos a partir de sedimentos marinhos (Becerril-Espinosa et al., 2013), fontes hidrotermais (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), insects (Matsui et al., 2012; Kurtböke et al., 2015), e plantas (Masand et al., 2015). Por outro lado, a dereplicação de estirpes isoladas atingiu um novo passo com abordagens específicas do gene, bem como de impressões digitais metabólicas (Hou et al., 2012; Forner et al., 2013). Coletivamente, o sucesso Unido em isolamento e dereplicação facilita a priorização dos isolados que poderiam ser fábricas celulares com a capacidade biossintética inata para produzir novos compostos. Uma dessas abordagens tem sido praticada para isolar 64 actinomycetes distintivos de 12 espécies diferentes de esponjas marinhas, e para priorizar duas estirpes únicas que mostraram atividade anti-tripanosómica, bem como singularidade no perfil metabolômico e riqueza de produtos naturais não identificados (Cheng et al., 2015).

predição e identificação de novos compostos de actinomicetes, incluindo aqueles com títulos de baixa produção, tornaram-se relativamente diretos através do advento da cromatografia líquida de alta resolução-espectrometria de massa (HR-LC-MS) e allied database search (Tawfike et al., 2013; Doroghazi et al., 2014; Wu et al., 2016). Recentemente, Wu et al. (2016) foram capazes de demonstrar a empregabilidade do método de análise metabólica baseado em RMN para racionalizar a biotransformação microbiana e determinar o melhor tempo de colheita de actinomicetes para a produção de antibióticos. Os avanços técnicos também na compreensão do nível genético e na recombinação de estirpes de produtores constituem uma escolha atraente para melhorar os títulos de produção de produtos naturais estruturalmente complexos por fermentação microbiana (Zhang et al., 2016).

explorar a biologia da produção secundária de metabolitos na actinomicetes através da genética tem proporcionado uma maior partilha do nosso conhecimento actual. O aumento dramático e sustentado na compreensão da genética e enzimologia dos metabolitos secundários biossíntese nos actinomycetes, especialmente Estreptomyces ao longo dos anos 90, também facilitou a resistência da pesquisa de produtos naturais neste admirável grupo bacteriano. Como uma fundação notável, S. coelicolor A3 (2) tem sido geneticamente reconhecido como um modelo para os actinomycetes, e todo o genoma foi anunciado com versátil genética in vivo e in vitro (Bentley et al., 2002). The genome analysis of S. coelicolor A3 (2) revelou a abundância de clusters de genes previamente não caracterizados, enzimas metabólicas, particularmente aquelas que podem estar envolvidas na produção de produtos naturais. Como uma última realização, o gênero actinomycete marinho Salinispora foi estabelecido como um organismo modelo robusto para pesquisa de produtos naturais (Jensen et al., 2015). Tem capacidades biossintéticas notáveis, com 17 diferentes vias biossintéticas, das quais apenas quatro estavam ligadas aos seus respectivos produtos.

a informação sobre o genoma dos actinomycetes cultivados e não cultivados está a ser prontamente actualizada. Mais de 1304 genoma actinomycetes foram relatados como em Março de 2016 e com o advento da Genética molecular e análise de genoma de próxima geração são esperados em um futuro próximo submissões rápidas. Análises de genomas de actinomycetes revelaram que numerosos aglomerados genéticos biossintéticos “crípticos” ou “órfãos” com potencial para dirigir a produção de um amplo número de novos produtos naturais estruturalmente diversificados (Challis, 2014; Gomez-Escribano et al., 2016). Subsequentemente, a exploração mineira do genoma dos actinomycetes esboçou novas orientações para os esforços em curso de descoberta de medicamentos. Uma dessas abordagens foi extrair uma coleção de 10.000 actinomicetes para novos ácidos fosfônicos, e lançou uma base intrigante para a rápida descoberta em larga escala de outras classes de produtos naturais (Ju et al., 2015).

melhorias feitas em métodos bioinformáticos, particularmente específicos para a identificação de clusters genéticos de produtos naturais e auxiliares de previsão funcional no processamento de dados genômicos em massa de actinomycetes (Alam et al., 2011; Doroghazi et al., 2014; Abdelmohsen et al., 2015). No entanto, são necessários conhecimentos suficientes sobre a biologia e ecologia da produção de antibióticos para compreender os estímulos e pistas precisos necessários para ativar clusters de genes silenciosos (Abdelmohsen et al., 2015; Kolter e van Wezel, 2016).

Como um grande avanço, o advento da RNA-visitas de ADN tecnologia de edição de Cluster Regularmente Espaçadas Curto Palíndromo Repete (CRISPRs)/Cas9 substancialmente promessas para a aplicação do genoma de modificação de genes biossintéticos clusters de actinomiceto (Huang et al., 2015). Obviamente, esta ferramenta molecular pode ser usada na engenharia de hosts nativos Não-modelo para hosts de produção heteróloga para a biossíntese dos produtos naturais desejados. Avanços tecnológicos e conceituais contínuos na engenharia de hospedeiros microbianos abrirão oportunidades para explorar e aproveitar plenamente o imenso e diversificado repertório químico da natureza (Zhang et al., 2016).

perspectivas futuras

Actinomycetes têm sido reconhecidos como a principal fonte de biofarmacêuticos, especialmente antibióticos ao longo de várias décadas. Nosso universo é rico de diversos ambientes inexplorados e subexplorados que poderiam ser considerados para o isolamento de novos membros de actinomycetes. Isto poderia alterar o nosso repositório de actinomycetes com um fornecimento contínuo de novos aglomerados genéticos biossintéticos e andaimes de produtos naturais sobre os quais a investigação actual reorienta. Avanços contínuos na genômica e metabolômica reservam uma próxima geração de produtos naturais de pesquisa e desembrulham as oportunidades mais amplas na exploração de actinomycetes que representam um ativo importante para a descoberta de compostos de valor farmacêutico. Os avanços tecnológicos e conceituais impulsionarão uma transição de” buscar os produtos naturais desejados “para” projetar os produtos desejados ” de actinomycetes. Através deste artigo, é evidenciado que, apesar de um declínio interino na pesquisa de actinomycetes, novas vias estão abertas agora e buscam a atenção ativa dos pesquisadores em todo o mundo. Esses países bem dotados com os recursos naturais podem considerar para financiar a pesquisa de produtos naturais microbianos, especialmente a pesquisa actinomycetes para estender as invenções de novos antibióticos de importância industrial para triunfar a crescente resistência microbiana e doenças infecciosas.

contribuições dos autores

todos os autores listados, fizeram uma contribuição substancial, direta e intelectual para a obra, e aprovaram-na para publicação.

financiamento

Conselho de Investigação Científica e Industrial( CSIR; http://www.csir.res.in/), Governo da Índia; referência do projecto: BSC0106-BioprosPR, and HRDG/CSIR-Nehru PDF LS/EMR-i/01/2015.

Declaração de conflito de interesses

os autores declaram que a investigação foi realizada na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que possam ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.

agradecimentos

CSIR-CSMCRI Communication no.: PRIS-068/2016. O Conselho de Investigação Científica e Industrial (CSIR); www.csir.res.in), Government of India (BSC0106-BioprosPR) is gratefully acknowledged. O CSIR é ainda reconhecido pela PJ para o financiamento através do CSIR-Nehru Postdoctoral Research Fellowship (HRDG/CSIR-Nehru PDF LS/EMR-i/01/2015), para sua pesquisa sobre actinomycetes e seu metabolismo secundário.