Frontiers in Microbiology

Inledning

Actinomycetes är allestädes närvarande grampositiva bakterier som utgör en av de största bakteriella phyla med karakteristisk filamentös morfologi och högt G+C-DNA. Aktinomyceterna har erkänts som främsta källa och inspiration för en betydande del av antibiotika som spelar en viktig roll i människors hälsa. Det mest slående faktum är att dessa filamentösa bakterier har utvecklats med rikedom av biosyntetiska genkluster och därmed visar en aldrig tidigare skådad potential i produktion biologiskt aktiva naturproduktställningar. Men de senaste två decennierna har sett ett drag av farmaceutiska jättar bort från mikrobiella naturproduktupptäcktsinsatser, och sådana ansträngningar fortsätter att blomstra i forskningsinstitut med lovande resultat. De fortsatta forskningsinsatserna från akademiska forskningsinstitut, med postgenomiska tekniska innovationer, föryngrar naturproduktforskning och komponerar ett clarion-samtal till globala forskare för att ställa in mikrobiell naturproduktforskning.

den klassiska Aktinomycetesforskningen

om vi ser tillbaka på cirka 76 års aktinomyceteforskning som fokuserade på jakt på bioaktiva metaboliter av allmän välfärd, har över 5000 föreningar rapporterats och bidragit till utvecklingen av 90% av kommersiella antibiotika som används för antingen kliniska eller forskningsbehov. I denna långa kurs utvecklades aktinomycetesforskning flera aspekter från isolering och aktivitetsscreening till modern post-genomisk sekundär metabolit forskning (Figur 1). Den första rapporten av streptomycin av Selman Waksman och associates på 1940-talet och efterföljande utveckling som läkemedel uppmuntrade läkemedelsföretag och forskare att sätta sina storskaliga ansträngningar på mikrobiell naturproduktforskning (Demain och Sanchez, 2009). Ansträngningarna var till stor del beroende av återvinning av mikroorganismer från olika miljöprover och screening för önskad bioaktivitet. Tillvägagångssättet förde den gyllene eran (1950-1970) av antibiotikaupptäckt som framgår av kommersialiseringen av flera livräddande antibiotika inklusive streptomycin, vankomycin, rifamycin och så vidare (Mahajan och Balachandran, 2012). Under de följande årtiondena minskade återupptäckten av kända föreningar och tekniska utmaningar i samband med rening och strukturförklaring av nya föreningar i stor utsträckning de klassiska ansträngningarna (B Ubibrdy, 2012). Trots bevisen på en minskning av mikrobiell naturproduktforskning fortsätter fortsatta innovationer inom provtagning och förvärv av potentiella aktinomyceter från tidigare outforskade källor av flera akademiska forskargrupper och mildrar riskerna för återupptäckt av kända föreningar och ökad tillgänglighet av olika aktinomyceter som är grundläggande frågor för den långsiktiga aktinomycetesforskningen.

FIGUR 1. Grafisk sammanfattning av forskning och utveckling fokuserad på antibiotikaupptäckt från aktinomyceter över 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 aktinomycetesforskning drevs av isolering och aktivitetsscreening. Medan modern aktinomycetesforskning drivs av en rad genombrott inom genetik, genomik, metagenomics, genombrytning och redigering och högupplösta metabolomics, i samband med klassisk metod.

pågår

framsteg är avgörande i flera aspekter av actinomycetes forskning som inkluderar (1) isolering och dereplicering av actinomycete isolat, (2) förutsägelse och identifiering nya föreningar, (3) förbättra produktionstitrar av potentiella föreningar, (4) avslöja genominformation och tillhörande biosyntetisk potential, (5) insamling och bearbetning av genomiska data, (6) gruvdrift, redigering och heterologt uttryck av kryptiska genkluster, och (7) omfattande metabolisk profilering, under ett brett spektrum av huvudområden som genetik, genomik och metabolomics.

att etablera actinomycete-resurser är ett av de grundläggande kraven för kulturberoende naturproduktforskning. För att ta itu med detta lär forskare hur man odlar den outforskade actinomycete biologiska mångfalden i olika miljöer och sådana ansträngningar har lett till odling av många nya aktinomyceter från marina sediment (Becerril-Espinosa et al., 2013), hydrotermiska ventiler (Thornburg et al., 2010), solsalterns (Jose och Jebakumar, 2013), ökenjord (Mohammadipanah och Wink, 2016), röda jordar (Guo et al., 2015), svampar (Sun et al., 2015), insekter (Matsui et al., 2012; Kurtb Brasilike et al., 2015), och växter (Masand et al., 2015). Å andra sidan har dereplikation av isolerade stammar uppnått en ny tonhöjd med genspecifika såväl som metaboliska fingeravtrycksmetoder (Hou et al., 2012; Forner et al., 2013). Sammantaget underlättar den förenade framgången i isolering och dereplikation prioriteringen av isolaten som kan vara cellulära fabriker med den medfödda biosyntetiska förmågan att producera nya föreningar. Ett sådant tillvägagångssätt har praktiserats för att isolera 64 distinkta aktinomyceter från 12 olika marina svamparter och att prioritera två unika stammar som visade anti-trypanosomal aktivitet såväl som unikhet i metabolomisk profil och rikedom av oidentifierade naturprodukter (Cheng et al., 2015).

förutsägelse och identifiering av nya föreningar från aktinomyceter inklusive de med låga produktionstitrar har blivit relativt rakt fram genom tillkomsten av högupplöst vätskekromatografi-masspektrometri (HR-LC-MS) och allierad databassökning (Tawfike et al., 2013; Doroghazi et al., 2014; Wu et al., 2016). Nyligen, Wu et al. (2016) kunde visa anställbarheten för NMR-baserad metabolisk profileringsmetod för att effektivisera mikrobiell biotransformation och för att bestämma den bästa skördetiden för aktinomyceter för antibiotikaproduktion. Tekniska genombrott också i gennivåförståelse och rekombinering av producentstammar ger ett attraktivt val för att förbättra produktionstitrarna av strukturellt komplexa naturprodukter genom mikrobiell jäsning (Zhang et al., 2016).

utforska biologin av sekundära metaboliter produktion i aktinomyceter genom genetik har gett en främsta andel till vår nuvarande kunskap. Dramatisk och ihållande ökning av förståelsen av genetik och enzymologi av sekundära metaboliter biosyntes i aktinomyceter, särskilt Streptomyces under 1990-talet har också underlättat uthållighet av naturlig produktsökning i denna beundransvärda bakteriegrupp. Som en anmärkningsvärd grund har S. coelicolor A3 (2) genetiskt erkänts som en modell för aktinomyceterna, och hela genomet tillkännagavs med mångsidig in vivo och in vitro genetik (Bentley et al., 2002). Genomanalysen av S. coelicolor A3 (2) har avslöjat överflödet av tidigare okarakteriserade genkluster, metaboliska enzymer, särskilt de som sannolikt kommer att vara involverade i produktionen av naturliga produkter. Som en senaste prestation har den marina actinomycete-släktet Salinispora etablerats som en robust modellorganism för naturproduktforskning (Jensen et al., 2015). Den har anmärkningsvärd biosyntetisk kapacitet med 17 olika biosyntetiska vägar, varav endast fyra hade kopplats till sina respektive produkter.

genominformationen för odlade och odlade aktinomyceter uppdateras omedelbart. Över 1304 actinomycetes Genom har rapporterats som i mars 2016 och med tillkomsten av molekylär genetik och nästa generations genomanalys förväntas snabba inlagor inom en snar framtid. Analyser av Genom av aktinomyceter har avslöjat att många ’kryptiska’ eller ’föräldralösa’ biosyntetiska genkluster med potential att styra produktionen av ett gott antal nya, strukturellt olika naturprodukter (Challis, 2014; Gomez-Escribano et al., 2016). Därefter har gruvdrift av aktinomycetes genom skisserat nya riktningar i de pågående läkemedelsupptäcktsinsatserna. Ett sådant tillvägagångssätt har varit att bryta en samling av 10 000 aktinomyceter för nya fosfonsyror och har lagt en spännande grund för snabb storskalig upptäckt av andra klasser av naturliga produkter (Ju et al., 2015).

förbättringar gjorda i bioinformatikmetoder, särskilt specifika för identifiering av naturliga produktgenkluster och funktionella prediktionshjälpmedel vid bearbetning av bulkgenomiska data av aktinomyceter (Alam et al., 2011; Doroghazi et al., 2014; Abdelmohsen et al., 2015). Men tillräckliga insikter i biologi och ekologi av antibiotikaproduktion behövs för att förstå de exakta triggers och signaler som krävs för att aktivera tysta genkluster (Abdelmohsen et al., 2015; Kolter och van Wezel, 2016).

som ett stort genombrott, tillkomsten av RNA-styrd DNA-redigeringsteknik grupperade regelbundet Interspaced korta palindromiska upprepningar (CRISPRs)/Cas9 lovar väsentligen för tillämpning på genommodifiering i biosyntetiska genkluster av aktinomyceter (Huang et al., 2015). Självklart kan detta molekylära verktyg användas vid konstruktion av icke-modellbaserade värdar till heterologa produktionsvärdar för biosyntes av önskade naturprodukter. Fortsatta tekniska och konceptuella framsteg inom tekniska mikrobiella värdar kommer att öppna möjligheter att fullt ut utforska och utnyttja naturens oerhört olika kemiska repertoar (Zhang et al., 2016).

framtidsperspektiv

aktinomyceter har erkänts som en främsta källa till biofarmaka, särskilt antibiotika under flera decennier. Vårt universum är rikt på olika outforskade och underutforskade miljöer som kan övervägas för isolering av nya medlemmar av aktinomyceter. Detta kan ändra vårt actinomycetes-arkiv med en kontinuerlig tillförsel av nya biosyntetiska genkluster och naturliga produktställningar som aktuell forskning omorienterar på. Fortsatta framsteg inom genomik och metabolomics reservera en nästa generations naturprodukter forskning och packa bredare möjligheter på exploatering av aktinomyceter som utgör en viktig tillgång för upptäckten av farmaceutiskt värdefulla föreningar. De tekniska och konceptuella framstegen kommer att driva en övergång från” söka efter önskade naturprodukter ”till” designa efter önskade produkter ” från aktinomyceter. Genom denna artikel framgår det att trots en tillfällig nedgång i aktinomycetesforskning är nya vägar öppna nu och söker forskarnas aktiva uppmärksamhet över hela världen. De länder som är väl utrustade med naturresurserna kan anse att finansiera mikrobiell naturproduktforskning, särskilt aktinomyceterforskning för att utvidga uppfinningarna av nya antibiotika av industriell betydelse för att triumfera den eskalerande mikrobiella resistensen och smittsamma sjukdomar.

Författarbidrag

alla listade författare har gjort betydande, direkta och intellektuella bidrag till verket och godkänt det för publicering.

finansiering

rådet för vetenskaplig och industriell forskning (CSIR; http://www.csir.res.in/), Indiens regering; projektreferens: BSC0106-BioprosPR och HRDG / CSIR-Nehru PDF LS / EMR-i/01 / 2015.

intressekonflikt uttalande

författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.

bekräftelser

CSIR-Csmcri-kommunikation nr.: PRIS-068/2016. Rådet för vetenskaplig och industriell forskning (CSIR; www.csir.res.in), Indiens regering (BSC0106-BioprosPR) erkänns tacksamt. CSIR erkänns vidare av PJ för finansieringen genom CSIR-Nehru Postdoctoral Research Fellowship (HRDG/CSIR-Nehru PDF LS/EMR-i/01/2015), till hans forskning om aktinomyceter och deras sekundära metabolism.