frontiere în Microbiologie

Introducere

Actinomicetele sunt bacterii gram-pozitive omniprezente care constituie una dintre cele mai mari filamente bacteriene cu morfologie filamentoasă caracteristică și ADN g+c ridicat. Actinomicetele au fost recunoscute ca sursă principală și inspirație pentru o fracțiune substanțială de antibiotice care joacă un rol important în sănătatea umană. Cel mai izbitor fapt este că aceste bacterii filamentoase au evoluat cu bogăția grupurilor de gene biosintetice și, prin urmare, prezintă un potențial fără precedent în producție schele de produse naturale biologic active. Cu toate acestea, în ultimele două decenii, giganții farmaceutici s-au îndepărtat de eforturile de descoperire a produselor naturale microbiene, iar astfel de eforturi continuă să înflorească în institutele de cercetare cu rezultate promițătoare. Eforturile continue de cercetare ale institutelor de cercetare academică, cu inovații tehnologice post-genomice, întineresc cercetarea produselor naturale și compun un apel clar către cercetătorii din întreaga lume pentru a se adapta cercetării produselor naturale microbiene.

cercetarea clasică a Actinomicetelor

dacă ne uităm înapoi la aproximativ 76 de ani de cercetare a actinomicetelor care s-au concentrat pe vânarea metaboliților bioactivi ai bunăstării publice, peste 5000 de compuși au fost raportați și au contribuit la dezvoltarea a 90% din antibioticele comerciale utilizate fie pentru nevoile clinice, fie pentru cercetare. În acest curs lung, cercetarea actinomicetelor a evoluat mai multe aspecte de la izolarea și screeningul activității la cercetarea modernă post-genomică a metaboliților secundari (Figura 1). Primul raport al streptomicinei de către Selman Waksman și asociații în anii 1940 și dezvoltarea ulterioară ca medicament a încurajat companiile farmaceutice și cercetătorii să-și pună eforturile pe scară largă asupra cercetării produselor naturale microbiene (Demain și Sanchez, 2009). Eforturile au depins în mare măsură de recuperarea microorganismelor din diverse probe de mediu și de screening pentru bioactivitatea dorită. Abordarea a adus Epoca de aur (1950-1970) a descoperirii antibioticelor evidențiată prin comercializarea mai multor antibiotice care salvează vieți, inclusiv streptomicină, vancomicină, rifamicină și așa mai departe (Mahajan și Balachandran, 2012). În deceniile următoare, redescoperirea compușilor cunoscuți și provocările tehnice asociate purificării și elucidării structurii noilor compuși au scăzut în mare măsură eforturile clasice (B Oectrdy, 2012). În ciuda dovezilor unei scăderi a cercetării produselor naturale microbiene, inovațiile continue în eșantionarea și achiziționarea de potențiale actinomicete din surse neexplorate anterior sunt continuate de mai multe grupuri de cercetare academică și atenuează riscurile redescoperirii compușilor cunoscuți și disponibilitatea sporită a diverselor actinomicete care sunt aspecte fundamentale pentru cercetarea actinomicetelor pe termen lung.

FIGURA 1. Rezumatul grafic al cercetărilor și dezvoltărilor s-a axat pe descoperirea antibioticelor de la actinomicete de peste 76 de ani. 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). Cercetarea actinomicetelor clasice a fost determinată de abordarea izolării și a screeningului activității. În timp ce cercetarea actinomicetelor moderne este condusă de o serie de descoperiri în genetică, genomică, metagenomică, minerit și editare a genomului și metabolomică de înaltă rezoluție, în asociere cu abordarea clasică.

în curs de desfășurare

progresul este crucial în mai multe aspecte ale cercetării actinomicetelor, care include (1) izolarea și dereplicarea izolatelor actinomicetelor, (2) predicția și identificarea compușilor noi, (3) îmbunătățirea titrurilor de producție ale compușilor potențiali, (4) descoperirea informațiilor genomului și a potențialului biosintetic asociat, (5) colectarea și prelucrarea datelor genomice, (6) exploatarea, editarea și exprimarea heterologă a clusterelor de gene criptice și (7) profilare metabolică cuprinzătoare, sub un spectru larg de domenii principale, cum ar fi genetica, genomica și metabolomică.

stabilirea resurselor de actinomicete este una dintre cerințele de bază pentru cercetarea produselor naturale dependente de cultură. Pentru a aborda acest lucru, cercetătorii învață cum să cultive biodiversitatea actinomicetelor neexplorate în medii diverse și astfel de eforturi au dus la cultivarea a numeroase actinomicete noi din sedimentele marine (Becerril-Espinosa și colab., 2013), orificii hidrotermale (Thornburg și colab., 2010), salterns solare (Jose și Jebakumar, 2013), soluri deșertice (Mohammadipanah și Wink, 2016), soluri roșii (Guo și colab., 2015), bureți (Sun și colab., 2015), insecte (Matsui și colab., 2012; Kurtb Inktoke și colab., 2015) și plante (Masand și colab., 2015). Pe de altă parte, dereplicarea tulpinilor izolate a atins un nou pas cu abordări specifice genei, precum și cu metode de amprentare metabolică (Hou și colab., 2012; Forner și colab., 2013). În mod colectiv, succesul Unit în izolare și dereplicare facilitează prioritizarea izolatelor care ar putea fi fabrici celulare cu capacitatea biosintetică înnăscută de a produce compuși noi. O astfel de abordare a fost practicată pentru a izola 64 de actinomicete distincte din 12 specii diferite de burete marin și pentru a acorda prioritate a două tulpini unice care au prezentat activitate anti-tripanosomală, precum și unicitatea în profilul metabolomic și bogăția produselor naturale neidentificate (Cheng și colab., 2015).

predicția și identificarea compușilor noi din actinomicete, inclusiv cei cu titruri de producție scăzute, au devenit relativ drept înainte prin apariția cromatografiei lichide de înaltă rezoluție-spectrometrie de masă (HR-LC-MS) și căutarea bazelor de date aliate (Tawfike și colab., 2013; Doroghazi și colab., 2014; Wu și colab., 2016). Recent, Wu și colab. (2016) au reușit să demonstreze capacitatea de angajare a metodei de profilare metabolică bazată pe RMN pentru a eficientiza biotransformarea microbiană și pentru a determina cel mai bun timp de recoltare a actinomicetelor pentru producția de antibiotice. Progresele tehnice, de asemenea, în înțelegerea nivelului genelor și recombinarea tulpinilor producătoare oferă o alegere atractivă pentru îmbunătățirea titrurilor de producție a produselor naturale complexe din punct de vedere structural prin fermentarea microbiană (Zhang și colab., 2016).

explorarea biologiei producției de metaboliți secundari în actinomicete prin genetică a oferit o pondere importantă cunoștințelor noastre actuale. Creșterea dramatică și susținută a înțelegerii geneticii și enzimologiei biosintezei metaboliților secundari în actinomicete, în special Streptomyces de-a lungul anilor 1990 au facilitat, de asemenea, rezistența căutării produselor naturale în acest admirabil grup bacterian. Ca o fundație demnă de remarcat, S. coelicolor A3(2) a fost recunoscut genetic ca model pentru actinomicete, iar întregul genom a fost anunțat cu genetică versatilă in vivo și in vitro (Bentley și colab., 2002). Analiza genomului lui S. coelicolor A3 (2) a dezvăluit abundența grupurilor de gene necaracterizate anterior, enzime metabolice, în special cele care ar putea fi implicate în producția de produse naturale. Ca o ultimă realizare, genul de actinomicete marine Salinispora a fost stabilit ca un organism model robust pentru cercetarea produselor naturale (Jensen și colab., 2015). Are capacități biosintetice remarcabile, cu 17 căi biosintetice diverse, dintre care doar patru au fost legate de produsele lor respective.

informațiile genomului actinomicetelor cultivate și necultivate sunt actualizate prompt. Peste 1304 genom actinomicete au fost raportate ca în martie 2016 și odată cu apariția geneticii moleculare și a analizei genomului de generație următoare sunt așteptate depuneri rapide în viitorul apropiat. Analizele genomului actinomicetelor au arătat că numeroase grupuri de gene biosintetice ‘criptice’ sau ‘orfane’ cu potențialul de a direcționa producția unui număr amplu de produse naturale noi, diverse din punct de vedere structural (Challis, 2014; Gomez-Escribano și colab., 2016). Ulterior, exploatarea genomului actinomicetelor a schițat noi direcții în eforturile de descoperire a medicamentelor în curs. O astfel de abordare a fost de a extrage o colecție de 10.000 de actinomicete pentru acizi fosfonici noi și au pus o bază intrigantă pentru descoperirea rapidă și pe scară largă a altor clase de produse naturale (Ju și colab., 2015).

Îmbunătățirile aduse metodelor bioinformatice, specifice în special pentru identificarea clusterului genetic al produsului natural și predicția funcțională ajută la prelucrarea datelor genomice în vrac ale actinomicetelor (Alam și colab., 2011; Doroghazi și colab., 2014; Abdelmohsen și colab., 2015). Cu toate acestea, sunt necesare suficiente informații despre biologia și ecologia producției de antibiotice pentru a înțelege declanșatoarele și indicii precise necesare pentru a activa grupurile de gene silențioase (Abdelmohsen și colab., 2015; Kolter și van Wezel, 2016).

ca o mare descoperire, apariția tehnologiei de editare a ADN-ului ghidată de ARN, grupată în mod regulat între repetițiile palindromice scurte (CRISPRs)/Cas9 promite în mod substanțial aplicarea la modificarea genomului în grupurile de gene biosintetice ale actinomicetelor (Huang și colab., 2015). Evident, acest instrument molecular poate fi utilizat în ingineria gazdelor native non-model la gazdele de producție heterologe pentru biosinteza produselor naturale dorite. Progresele tehnologice și conceptuale continue în ingineria gazdelor microbiene vor deschide oportunități de a explora și valorifica pe deplin repertoriul chimic extrem de divers al naturii (Zhang și colab., 2016).

perspective viitoare

Actinomicetele au fost recunoscute ca o sursă principală de biofarmaceutice, în special antibiotice, de-a lungul mai multor decenii. Universul nostru este bogat în diverse medii neexplorate și neexplorate, care ar putea fi luate în considerare pentru izolarea noilor membri ai actinomicetelor. Acest lucru ar putea modifica depozitul nostru de actinomicete cu o sursă continuă de noi grupuri de gene biosintetice și schele de produse naturale pe care cercetările actuale se reorientează. Progresele continue în genomică și metabolomică rezervă o cercetare a produselor naturale de ultimă generație și dezvăluie oportunitățile mai largi privind exploatarea actinomicetelor care reprezintă un atu important pentru descoperirea compușilor valoroși farmaceutic. Progresele tehnologice și conceptuale vor conduce la o tranziție de” căutare a produselor naturale dorite „la” proiectare pentru produsele dorite ” de la actinomicete. Prin acest articol, se demonstrează că, în ciuda unui declin interimar al cercetării actinomicetelor, noi căi sunt deschise acum și caută atenția activă a cercetătorilor din întreaga lume. Aceste țări bine dotate cu resursele naturale pot considera că finanțează cercetarea produselor naturale microbiene, în special cercetarea actinomicetelor, pentru extinderea invențiilor de antibiotice noi de importanță industrială pentru a triumfa rezistența microbiană în creștere și bolile infecțioase.

contribuții autor

toți autorii enumerați, au adus o contribuție substanțială, directă și intelectuală la lucrare și au aprobat-o pentru publicare.

finanțare

Consiliul cercetării științifice și industriale( CSIR; http://www.csir.res.in/), Guvernul Indiei; referință proiect: BSC0106-Biopr, și HRDG / CSIR-Nehru PDF LS/EMR-i/01 / 2015.

Declarație privind conflictul de interese

autorii declară că cercetarea a fost realizată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.

mulțumiri

comunicare CSIR-CSMCRI nr.: PRIS-068/2016. Consiliul cercetării științifice și industriale (CSIR; www.csir.res.in), Guvernul Indiei (BSC0106-BioprosPR) este recunoscut cu recunoștință. CSIR este recunoscut în continuare de PJ pentru finanțarea prin CSIR-Nehru postdoctoral research Fellowship (HRDG/CSIR-Nehru PDF LS/EMR-i/01/2015), pentru cercetările sale privind actinomicetele și metabolismul lor secundar.