تصميم مسارات كيميائية بيولوجية لإنتاج مضادات حيوية لضغوط نوففيل

تحديد الهوية والتعدين الجماعي

كما أن الأدوات الحاسوبية مثل " مضادات السوائب " تتيح للعلماء تحديد مركبات الغاز المحتوية على محركات مصغرة بسرعة، وكثيراً ما تحتوي هذه المجموعات على جينات النسيج الأساسية (مثلاً، بي كيه أو جينات البوليسترين المغناطيسي) إلى جانب جينات تنظيمية ومقاومة، ويمكن عندئذ استنساخ مركبات الغاز المشبع بالبروتين من الحمض النووي البيئي أو تركيبها بالأشعة دون الحمراء التي لا يتم التعبير عنها في ظروف مختبرية.

استراتيجيات هندسة الطرق

• Refactoring:] Removing native regulatory elements and replace them with strong, inducible promoters can dramatically increase production yields.
• Domain and Module Swapping:] For modular PKSs and NRPSs, replacement one domain with a homolog can change the monomer building block, generating a new product.
• Enzyme Directed Evolution:] Iterative mutagenesis and screening can improve enzyme activity, substrate scope, or specificity for desired antibiotic analogs.

المختارون المضيفون والإعراب الهتيروولوجي

(ب) اختيار كائن مضيف مناسب أمر حاسم. Escherichia coli) و Saccharomyces cerevisiae [يُفضل أن تكون هذه الاستراتيجيات قابلة للاختراق الوراثي والنمو السريع، ولكنها قد تفتقر إلى السلائف المحددة أو الآلات اللاحقة للترجمة.

تحديث الأدوات

وقد أدى البيولوجيا التركيبية وهندسة الجينوم إلى ثورة بناء مسارات كيميائية بيولوجية، ويجري حاليا استخدام عدة تقنيات للتطورات بشكل روتيني للتعجيل بدورة التعلم في مجال التصميم - البناء - الاختبار.

CRISPR-Cas9 for Precise Genome Editing

CRISPR-Cas9 enables targeted inclusionion, deletion, or replacement of pathway genes directly in the host genome. In Streptomyces, CRISPR-based systems have greatly reduced the time needed to knockout competing pathways or integrate large gene clusters. This technology also facilitates markerly editing, which is essential

Directed Evolution and Enzyme Optimization

ومن خلال إنشاء مكتبات من متغيرات الانزيم عن طريق التموين العشوائي أو الاختلالات، يمكن للباحثين اختيار تحسين الكفاءة الحفازة، أو تغيير التحديد دون الاستراتيجي، أو تعزيز الاستقرار، مثلا، استخدم التطور الموجه لتصميم ملوثات غير كيميائية فرعية، مما يتيح إنتاج خواص مضادة للفيروسات.

النمذجة الحاسوبية والاستخبارات الفنية

فالأدوات الحاسوبية تؤدي الآن دوراً محورياً في تصميم المسارات، ويمكن أن تتوقّع النماذج القائمة على تحليل التوازن المتقلب الاختناقات الأيضية، وأن تسترشد باستراتيجيات القذف أو الإفراط في الضغط، ويمكن أن تقترح خوارزميات التعلم الماكين، التي تم تدريبها على مجموعات كبيرة من البيانات المعروفة عن حاويات التراكم الأحيائي والمسارات، مزيجاً جديداً من الأنزيمات التي قد تنتج مضادات غير المنظورة في السابق.

التحديات المقبلة في تشييد الطريق

وعلى الرغم من الأدوات القوية المتاحة، لا يزال تصميم وتنفيذ مسارات العلاج المضادات الحيوية الجديدة يشكل تحدياً، ويجب التصدي للعديد من العقبات للانتقال من المفهوم إلى الإنتاج.

العقبات المعقدة والتنظيمية

وكثيرا ما تنطوي مسارات المكافحة الحيوية الطبيعية على عشرات الانزيمات، وطبقات تنظيمية متعددة، وثغرات تثبيطية في الترددات، كما أن معالجة هذا التعقيد في مضيف ذي تردد يمكن أن تؤدي إلى انخفاض غلة أو مسكات في الممرات، ومن المطلوب توفير تدريب دقيق لمواطن القوة لدى المروجين، وأرقام النسخ الجيني، وحفز التركيزات، بالإضافة إلى أن العديد من المواد الوسيطة أو المنتجات النهائية سمية للمضيف.

السمية ودفن مرضى

كما أن النشاط ذاته الذي يجعل المضادات الحيوية ذات قيمة التوليف الجداري الخلوي البكتيري، أو توليف البروتين، أو إعادة التلقيح الحمضي النووي، يضر بصاحب الإنتاج، وتشمل الاستراتيجيات التي تتغلب على ذلك استخدام نظم التعبير عن السخرية، ومقارنة مسارات التوازن بين الكائنات الحية (مثلاً، الظواهر المُتسمة باليست)، أو الإجهادات الصناعية التي تستخدم أهدافاً مقاومة.

القابلية للتقسيم والفرز

وقد تفشل الطرق التي تعمل في مصافحة الركاز عندما تُضخ إلى المفاعلات الأحيائية الصناعية بسبب الحد من الأكسجين أو التحديات التي تواجه التغذية دون المستوى أو الحساسية المزروعة، ويتطلب تطوير عمليات التخصيب القوية تحقيق التعظيم الواسع في تكوين وسائط الإعلام ونظم التغذية وتنقية التيار، كما أن التقدم في التخمير المستمر ونظم خليط توفر طرقا بديلة للإنتاج القابل للتكرار.

الاتجاهات والأثر في المستقبل

ومستقبل الإنتاج المضاد الحيوي الجديد يكمن في إدماج التخصصات المتعددة، وسيستمر البيولوجيا التركيبية في توفير قطع وراثية موحدة وفوضى نمطية، وسيؤدي توليف الحمض النووي العالي الجودة والإستنساخ الآلي إلى تسريع بناء آلاف من المتغيرات المسببة للطرق، ومن المرجح أن يسترشد الاستخبارات الفنية في تصميم مسارات فرعية جديدة تماماً من الناحية البيولوجية في التفاعل باستخدام التنبؤات .

ومن المنتظرات المثيرة إنشاء منابر مضيفة عالمية يمكن إعادة برمجتها بسرعة لإنتاج أي مضاد حيوي مرغوب فيه عند بدء التشغيل، وهذه النظم، إلى جانب الاستخدام الأمثل للإجهاد القائم على الآلات، يمكن أن تقلل كثيرا من الجدول الزمني من تحديد الأهداف إلى التصنيع، وعلاوة على ذلك، يمكن تطبيق نفس المبادئ الهندسية للمسارات لإنتاج عوامل أخرى قيمة في مجال المنتجات الطبيعية - عوامل الإصدار، والعاملات غير المزودة بالأجهزة، والوقود الأحيائي.

ومن الضروري، مع الاستثمار المستمر، تجديد خط الأنابيب الجديدة المضادات الحيوية، وتزويد الأطباء بأسلحة فعالة ضد الأمراض التي تقاوم المخدرات.

خاتمة

إن تصميم مسارات كيميائية بيولوجية للمضادات الحيوية الجديدة هو استراتيجية واعدة للغاية لمكافحة الأزمة المتزايدة للمقاومة المضادة للفيروسات، ومن خلال زيادة التعدين الجيني، وأدوات البيولوجيا الاصطناعية )بما في ذلك برنامج البحوث المتعلقة بالأوبئة والأمراض المعدية، والنمذجة الحسابية(، يمكن للباحثين أن يخلقوا ويحققوا أفضل السبل التي تنتج مركبات جديدة تماماً، وعلى الرغم من أن التحديات التي تواجه التعقيدات والسمية والفرص الهندسية لا تزال قائمة على التقارب.