نیاز فوری برای آنتی بیوتیک های جدید

مقاومت آنتی بیوتیک یکی از مهمترین تهدیدات بهداشت جهانی است.سازمان جهانی بهداشت (WHOLT3) هشدار داده است که بدون اقدام فوری، عفونت های رایج و آسیب های جزئی می توانند دوباره کشنده شوند (FLT:0 (صفحه مقاومت ضد میکروبی) [FLT1] که به طور گسترده ای به عنوان ترکیبات ضد میکروبی شناخته می شود.

اصول Pathways Biochemical برای سنتز آنتی بیوتیک

آنتی بیوتیک ها محصولات طبیعی هستند که توسط میکروارگانیسم ها از طریق مسیرهای بیوشیمی پیچیده سنتز می شوند، این Pathwayها معمولا از مجموعه ای از واکنش های آنزیمی-catalyzed تشکیل شده اند که پیش نویس های ساده را به مولکول بیولوژیکی فعال نهایی تبدیل می کنند. درک این Pathwayها برای طراحی مجدد آنها برای تولید انواع جدید یا داربست های کاملا جدید ضروری است.

متابولیسم اولیه و ثانویه

بیواستازوز آنتی بیوتیک اغلب از متابولیسم ثانویه ایجاد می شود - راه هایی که برای رشد ضروری نیستند اما مزایای زیست محیطی را به اشتراک می گذارند. متابولی ثانویه، از جمله آنتی بیوتیک ها، از متابولوئیدهای اولیه مانند آمینو اسید، acetyl-Co، و کلاس های آنزیم های کلیدی uxase، و oxytases مانند آنزیم های oxyasetasetasetasetasetoxytases مانند آنزیم های oxyase و oxyasetylasetoxyasetasetasetasetoxyasetoxyasetoxyases مانند آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های مختلف مانند آنزیم های آنزیم های آنزیم های مختلف مانند هیدروکسیلیز و oxyaseaseasetylasetylasetyl و oxyasetoxyasetoxyasetyl و oxyfiles مانند آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم های آنزیم

کلاس های Key Enzyme

  • [PKSs: این آنزیم های چند منظوره زنجیره های چندکیید را با تراکم فیبریرونالن پی (PKSs) جمع آوری می کنند، به ویژه برای آنتی بیوتیک های ماکرولید مانند دستکاری ژنتیکی PKS می تواند محصولات پلی کید را تغییر دهد.
  • پپتید غیرالال Synthetases (NRPSs): NRPSs پپتیدها را با استفاده از یک منطق مدولار، ترکیب اسیدهای آمینه غیر معمول و تولید ساختارهای ستون فقرات یافت شده در آنتی بیوتیک هایی مانند vancotica و daptoایسین.
  • لوتینگ Enzymes: پس از داربست هسته مونتاژ، خیاط آنزیم ها مولکول را برای کنفرانس زیست فعال، ثبات یا حمل و نقل نمونه ها شامل cytochrome P450 monooxygenases و گلیکولی ترانسفراز.

طراحی Pathways: از Gene Discovery تا Pathway Assembly

فرآیند طراحی برای مسیرهای آنتی بیوتیکی جدید با شناسایی طرح های ژنتیکی شروع می شود - خوشه های ژن بیوسینتیک (BGCs) - که آنزیم های لازم را کد می کنند.پیشرفت در توالی ژنوم و بیوانفورماتیک امکان استخراج ژنوم های باکتریایی برای BGCs را فراهم کرده اند که ممکن است ترکیبات ناشناخته (FLT:0 (بررسی میکروبی در مورد استخراج) تولید کنند.[۱]

شناسایی ژن و معدن خوشه ای

ابزارهای محاسباتی مانند آنتیSMASH به دانشمندان اجازه می دهد تا به سرعت BGC ها را در ژنوم های میکروبی شناسایی کنند.این خوشه ها اغلب شامل ژن های synthase هسته ای (به عنوان مثال، PKS یا NRPS) همراه با ژن های تنظیم کننده و مقاومت هستند. پیش بینی شده BGC ها می تواند از DNA محیط زیست یا خوشه های خاموش سنتز شده - آن هایی که تحت شرایط بیان مجدد فعال نمی شوند یا از طریق شرایط فعال شده اند.

استراتژی های مهندسی Pathway

  • بازسازی: حذف عناصر نظارتی بومی و جایگزینی آنها با حامیان قوی و غیر قابل کاهش می تواند به طور چشمگیری افزایش تولید.
  • Domain و ماژول جایگزین: برای PKSs و NRPSs، جایگزینی یک دامنه با همولوگ می تواند بلوک ساخت تکمر را تغییر دهد، تولید یک محصول جدید.
  • Enzyme به تکامل کارگردانی: mtutagenesis و غربالگری می تواند فعالیت آنزیم، دامنه بستر یا ویژگی های آنالوگ های آنتی بیوتیکی مورد نظر را بهبود بخشد.

انتخاب میزبان و بیان هم افزایی

انتخاب یک ارگانیسم مناسب برای میزبان بسیار مهم است. [۱۰] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [FLT] و [FLT] [۱۰] [۳] برای قابلیت دستگاه سازی ژنتیکی و رشد سریع خود مورد علاقه قرار می گیرد، اما ممکن است پیش نویس های خاصی یا ماشین آلات پس از انتقال لازم را نداشته باشند [F4]

ابزارهای مدرن Acceleating Pathway Design

زیست شناسی و مهندسی ژنوم مصنوعی، ساخت مسیرهای بیوشیمیایی را انقلابی کرده اند. چندین تکنیک پیشرفته اکنون به طور معمول برای سرعت بخشیدن به چرخه طراحی-سازنده یادگیری به کار گرفته می شوند.

کریس-Cas9 برای ویرایش دقیق Genome

CRISPR-Cas9 امکان قرار دادن هدفمند، حذف یا جایگزینی ژن های مسیر را به طور مستقیم در ژنوم میزبان فراهم می کند.در استئوترکتومی ، سیستم های مبتنی بر CRISPR به شدت زمان لازم برای تخریب مسیرهای رقیب یا ادغام خوشه های بزرگ ژن را کاهش داده اند.

تکامل و بهینه سازی Enzyme

تکامل شبیه سازی طبیعی در آزمایشگاه است.با ایجاد کتابخانه های انواع آنزیم از طریق mutagenesis تصادفی یا پیش نویس خطا، محققان می توانند برای بهبود کارایی کاتالیتیک، تغییر ویژگی های بستر یا ثبات پیشرفته استفاده شده است.

مدل سازی محاسباتی و هوش مصنوعی

ابزارهای محاسباتی در حال حاضر نقش مهمی در طراحی مسیر ایفا می کنند.مدل ها بر اساس تجزیه و تحلیل تعادل شار می توانند تنگناهای متابولیک و راهنمای تخریب ژن یا استراتژی های بیان بیش از حد را پیش بینی کنند. الگوریتم های یادگیری ماشین، آموزش داده شده بر روی مجموعه های بزرگ BGCs و Pathways شناخته شده، می توانند ترکیبات جدیدی از آنزیم هایی را که ممکن است آنتی بیوتیک های ناشناخته را تولید کنند، پیشنهاد دهند.

چالش های آینده در ساخت و ساز Pathway

علی رغم ابزارهای قدرتمند موجود، طراحی و پیاده سازی مسیرها برای آنتی بیوتیک های جدید همچنان چالش برانگیز است. بسیاری از موانع باید برای حرکت از مفهوم به تولید مورد توجه قرار گیرند.

پیچیدگی و تنظیم مقررات Hedles

مسیرهای آنتی بیوتیک طبیعی اغلب شامل ده ها آنزیم، لایه های تنظیمی متعدد و حلقه های پیچیده ی بازخورد است. بازسازی این پیچیدگی در یک میزبان ناهمگون می تواند منجر به بازده پایین یا مسیر شود که تنظیم دقیق نقاط قوت، اعداد کپی ژن و غلظت های تحریک کننده مورد نیاز است. علاوه بر این، بسیاری از مسیر ها یا محصولات نهایی سمی برای میزبان سلول میزبان هستند، و از تقویت مقاومت در برابر ژن ها خودداری می کنند.

سمی بودن و متابولیک Burden

فعالیت بسیار که آنتی بیوتیک ها را ارزشمند می کند - تجزیه سنتز دیواره سلولی باکتری، سنتز پروتئین یا تکثیر DNA - همچنین می تواند به استراتژی های میزبان تولید آسیب برساند تا بر این امر غلبه کند: استفاده از سیستم های بیان یاthogonal، تقسیم مسیرها در اندام های بدن (به عنوان مثال، Peroxisomes در مخمر)، یا سویه های مهندسی با اهداف مقاوم در برابر متابولیسم بالا، همچنین می تواند به استفاده از تعادل پویا کمک کند.

مقیاس پذیری و تعدیل

Pathways که در پوسته های تکان دهنده کار می کنند ممکن است در هنگام مقیاس به زیست بوم شناسان صنعتی به دلیل محدودیت اکسیژن، چالش های تغذیه از بستر، یا حساسیت شدید، بهبود گسترده ای از ترکیب رسانه ها، رژیم های تغذیه و تصفیه پایین جریان نیاز دارد.

مسیر های آینده و تاثیر

آینده تولید آنتی بیوتیک جدید در ادغام رشته های متعدد است. ⁇ زیست شناسی مصنوعی همچنان به ارائه قطعات ژنتیکی استاندارد و شاسی مدولار است. سنتز DNA با نفوذ بالا و cloning خودکار ساخت هزاران نوع از انواع مختلف مسیر را تسریع می کند. هوش مصنوعی احتمالا طراحی مسیرهای کاملا جدید زیستی را هدایت می کند (FLT:0in silico[۳]

یک چشم انداز هیجان انگیز توسعه سیستم عامل های میزبان جهانی است که می تواند به سرعت برنامه ریزی شده برای تولید هر آنتی بیوتیک مورد نظر پس از القای، چنین سیستم ها، همراه با بهینه سازی سویه های مبتنی بر ماشین، می تواند به طور چشمگیری کوتاه جدول زمانی از شناسایی هدف به تولید علاوه، همان اصول مهندسی Pathway می تواند برای تولید دیگر محصولات طبیعی ارزشمند - آنتی اکسیدان ها، ایمنی، و سوخت های زیستی استفاده شود.

تلاش های همکاری مانند ابتکارات تحقیقاتی ضد میکروبی جهانی برای تامین و هماهنگ کردن این تلاش ها ضروری است.با سرمایه گذاری پایدار، خط لوله آنتی بیوتیک های جدید می تواند دوباره پر شود، پزشکان با سلاح های موثر در برابر عفونت های مقاوم به مواد مخدر.

نتیجه گیری

طراحی مسیرهای بیوشیمیایی برای آنتی بیوتیک های جدید یک استراتژی بسیار امیدوار کننده برای مبارزه با بحران رو به رشد مقاومت آنتی بیوتیک است.با استفاده از استخراج ژنوم، ابزارهای زیست شناسی مصنوعی (از جمله CRISPR، تکامل کارگردانی شده و مدل سازی محاسباتی)، محققان می توانند مسیرهایی را ایجاد و بهینه سازی کنند که ترکیبات کاملا جدید را در مسیر، سمیت و مقیاس پذیری باقی می مانند، نوآوری های مداوم به سرعت این موانع را به فرصت های ادامه می دهند و ادامه می دهند، ویرایش ژن های پایدار و مهندسی پایدار، و زندگی می دهند.