Kiireellinen tarve uutuusantibiootteja

Maailman terveysjärjestö (WHO) on varoittanut, että ilman kiireellisiä toimia yleiset infektiot ja pienet vammat voivat jälleen tulla tappaviksi [ [WHO:n mikrobilääkeresistenssi faktasivu][]. Yhdysvalloissa esiintyy yli 2,8 miljoonaa antibioottiresistenttiä infektiota vuosittain, mikä johtaa yli 35 000 kuolemaan CDC:n mukaan. Perinteiset antibioottilähteet.Öljybakteerit ja sienet on louhittu laajasti, mikä johtaa tunnettujen yhdisteiden uudelleenlöytämiseen. Uusia antibiootteja tarvitaan epätoivoisesti resistenttien kantojen, kuten [, torjumiseksi.

Biokemiallisten teiden perustiedot antibioottisynteesiä varten

Antibiootit ovat mikro-organismien syntetisoimia luonnontuotteita monimutkaisten biokemiallisten reittien kautta. Nämä reitit koostuvat tyypillisesti useista entsyymikatalyyttisistä reaktioista, jotka muuntavat yksinkertaiset lähtöaineet lopulliseksi bioaktiiviseksi molekyyliksi. Näiden reittien ymmärtäminen on välttämätöntä niiden uudelleensuunnittelussa uusien varianttien tai täysin uusien rakennustelineiden tuottamiseksi.

Primaari ja sekundaarinen aineenvaihdunta

Antibioottibiosynteesi syntyy usein sekundaarisesta metaboliasta.Potiteetit, jotka eivät ole kasvun kannalta olennaisia mutta antavat ekologisia etuja. Toissijaiset metaboliitit, mukaan lukien antibiootit, on rakennettu primaarisista metaboliiteista, kuten aminohapoista, asetyyli-CoA:sta ja malonyyli-CoA:sta. Keskeiset entsyymiluokat ovat polyketidisyntaasit (PKS), nonribosomaaliset peptidisynteetit (NRPS) ja räätälöivät entsyymit kuten metyylitransferaasit, hydroksyyliaasit ja glykosyylitransferaasit.

Avainentsyymiluokat

  • Polyketide Synthaases (PKS):[] Nämä monimuuttujaentsyymit kokoavat polyketidiketjuja peräkkäisillä Claisen kondensaatioilla. I-tyypin PKS-lääkkeet ovat erityisen tärkeitä makrolidiantibiooteille, kuten erytromysiinille. PKS-verkkotunnusten geneettinen manipulointi voi tuottaa muunneltuja polyketidituotteita.
  • Nonribosomaalinen Peptidisynteesi (NRPS):[ NRPS:t syntetisoivat peptidejä modulaarisella logiikalla, sisältäen epätavallisia aminohappoja ja luoden runkorakenteita antibiooteista, kuten vankomysiinistä ja daptomysiinistä. Verkkotunnuksen vaihto tai moduulitekniikka voi tuottaa uusia peptidiantibiootteja.
  • Tailoring Enzymes:[] Kun ydintelineet on koottu, räätälöivät entsyymit muuttavat molekyyliä antamaan bioaktiivisuutta, vakautta tai kuljetusta. Esimerkkejä ovat sytokromi P450 monooksigenaasit ja glykosyylitransferaasit.

Polkujen suunnittelu: Gene Discoverystä Polkujen kokoontumiseen

Uusien antibioottireittien suunnitteluprosessi alkaa sellaisten geneettisten piirustusten (BIC) tunnistamisella, jotka koodaavat tarvittavat entsyymit. Genomisekvensointi- ja bioinformatiikka-alan edistysaskeleet ovat mahdollistaneet bakteerigenomien kaivamisen BGC-geomeihin, jotka voivat tuottaa tuntemattomia yhdisteitä .[Luontoarvioinnit Genomikaivoksen mikrobiologian tarkastelu].].

Gene-tunnistus ja klusterien louhinta

Laskutyökalut kuten antiSMASH mahdollistavat tutkijoiden nopeasti tunnistaa BCC:t mikrobigenomi. Nämä klusterit sisältävät usein ydinsyntaasigeeneja (esim. PKS tai NRSS geenit) sekä sääntely- ja resistenssigeenejä. Ennustetut BCC voidaan kloonata ympäristön DNA tai syntetisoitu de novo. Hiljainen klusterit . Ne, joita ei ole ilmaistu laboratorio-olosuhteissa . voidaan aktivoida reitti refaktorointi tai heterologinen ilmentyminen.

Tietekniikan strategiat

  • Refactoring:[ Poistaminen natiivi sääntelyelementtejä ja korvaaminen vahvoilla, hillittävissä promoottorit voivat dramaattisesti lisätä tuotannon tuottoa.
  • Domain ja Moduuli Swapping:[] Moduuli PKS:ien ja NRPS:ien osalta yhden verkkotunnuksen korvaaminen homologilla voi muuttaa monomeerin rakennuspalkkia ja tuottaa uuden tuotteen.
  • Enzyme Directed Evolution: Iteratiivinen mutageenisuus ja seulonta voivat parantaa entsyymiaktiivisuutta, substraattien laajuutta tai spesifisyyttä haluttuihin antibioottianalogisiin.

Isännän valinta ja heterologinen ilmaisu

Sopivan isäntäorganismin valinta on ratkaisevan tärkeää. [Escherichia coli[ ja Saccharomyces cerevisiae[ suositaan niiden geneettisen hedelmöityvyyden ja nopean kasvun vuoksi, mutta niiltä saattaa puuttua tietyt lähtöaineet tai translaation jälkeiset koneet. []Straptomyces[ -lajit, jotka ovat monien antibioottien luonnollinen lähde, tarjoavat kotoperäisemmän ympäristön mutta ovat hitaampia insinööriksi. Yhteisiin strategioihin kuuluu kokonaisten BCC:ien ilmaiseminen korkeatehoisissa ] Streptomyces -alustalla tai käyttäen plug-and-play -lähestymistapaa E. coli] toimittamalla lähtöaineita.

Modernit työkalut Pathway-suunnittelun nopeuttaminen

Synteettinen biologia ja genomitekniikka ovat mullistaneet biokemiallisten väylien rakentamisen. Useita huipputekniikoita käytetään nykyään rutiininomaisesti nopeuttamaan suunnittelu-rakentaminen-testi-oppia sykli.

CRISPR-Cas9 Genomien tarkkaa muokkausta varten

CRISPR-Cas9 mahdollistaa reittigeenien kohdennetun lisäämisen, poistamisen tai korvaamisen suoraan isäntägenomiin. [Streptomyces[]:ssä CRISPR-pohjaiset järjestelmät ovat lyhentäneet huomattavasti aikaa, joka tarvitaan kilpailevien reittien tyrmäämiseen tai suurten geeniryppäiden integrointiin. Tämä teknologia helpottaa myös merkkitöntä muokkausta, joka on välttämätöntä teollisen fermentoinnin kannalta sopivien kantojen tuottamiseksi [ACS Synteettinen biologia -artikkeli CRISPR-bakteerista Streptomycesissa].

Suunnattu evoluutio ja Enzyme Optimointi

Ohjattu evoluutio jäljittelee luonnollista valintaa laboratoriossa. Luomalla entsyymien varianttien kirjastoja satunnaisen mutageenisuuden tai virheherkän PCR:n avulla tutkijat voivat valita paremman katalyyttisen tehokkuuden, muunnellun substraattispesifisyyden tai parannetun vakauden. Esimerkiksi ohjattua evoluutiota on käytetty sytokromi P450:n luomiseen, joka hydroksyloituu ei-luonnollisia substraatteja, jolloin antibioottijohdannaisten farmakologiset ominaisuudet ovat paremmat.

Tietokonemallinnus ja tekoäly

Tietokoneen oppimisalgoritmit, koulutettu suuri dataaineisto tunnettuja BCC ja polkuja, voi ehdottaa uusia entsyymien yhdistelmiä, jotka saattavat tuottaa aiemmin näkymättömiä antibiootteja. Työkalut kuten PathPred ja RetroPath tarjoavat eteenpäin ja retrosynteettiset reittiehdotuksia, nopeuttavat suunnitteluvaihetta.

Pathway Constructionin haasteiden voittaminen

Vaikka käytössä on tehokkaita välineitä, uusien antibioottien käyttötapojen suunnittelu ja täytäntöönpano on edelleen haastavaa.

Monimutkaisuus ja sääntely

Luonnollinen antibioottireitit usein sisältävät kymmeniä entsyymejä, useita sääntely kerroksia, ja monimutkainen takaisinkytkentä esto silmukat. Tämän monimutkaisuuden tuottaminen heterologisessa isäntä voi johtaa alhainen tuotto tai reittien äänenvaimennus. Huolellinen virittäminen promoottorin vahvuuksia, geeni kopioiden numerot, ja induktorien pitoisuudet ovat tarpeen. Lisäksi monet polku väli- tai lopputuotteet ovat myrkyllisiä isäntäsolulle, mikä edellyttää resistenssigeenien yhteis-ilmentymistä.

Myrkyllisyys ja aineenvaihduntataakka

Erittäin aktiivisuus, joka tekee antibiooteista arvokkaita.Häiritsevät bakteerisoluseinämän synteesiä, proteiinisynteesiä tai DNA-replikaatiota. Strategies voi myös vahingoittaa tuotannon isäntä. Strategies voi voittaa tämän sisältävät käyttämällä ortogonaaliset ilmentymäjärjestelmät, lokeroiminen polkuja organelles (esim., peroksisomeja hiivassa), tai engineering isäntä kantoja vastustuskykyisiä tavoitteita. Metabolinen taakka suuri ilmentymä suuria synthaaseja voi myös hidastaa kasvua; dynaaminen metabolinen ohjaus käyttäen biosensoreja voi auttaa tasapainottamaan tuotannon ja elinkelpoisuutta.

Skaalattavuus ja hedelmöinti

Ravistavissa pulloissa toimivat polut voivat epäonnistua, kun ne on mitoitettu teollisiin bioreaktoreihin hapenrajoituksen, substraattien ruokintahaasteiden tai leikkausherkkyyden vuoksi. Vakaan käymisen kehittäminen edellyttää mediakoostumuksen, ruokintajärjestelmien ja jatkopuhdistuksen laajaa optimointia. Jatkuvan käymisen ja soluttomien järjestelmien kehitys tarjoaa vaihtoehtoisia reittejä skaalautuvaan tuotantoon.

Tulevaisuuden Suunnat ja vaikutukset

Uuden antibioottituotannon tulevaisuus on monilla tieteenaloilla. Synteettinen biologia tarjoaa jatkossakin standardoituja geneettisiä osia ja modulaarista alustaa. Korkean läpimenon DNA-synteesi ja automatisoitu kloonaus nopeuttavat tuhansien reittien varianttien rakentamista. Tekoäly ohjaa todennäköisesti täysin uusien biosynteettisten reittien suunnittelua silico[ käyttäen syväoppimista entsyymi-substraattien vuorovaikutuksen ennustamiseksi.

Yksi jännittävä mahdollisuus on kehittää maailmanlaajuisia isäntäalustoja, jotka voidaan nopeasti ohjelmoida tuottamaan haluttua antibioottia induktion yhteydessä. Tällaiset järjestelmät yhdistettynä koneoppimiseen perustuvaan kannan optimointiin voisivat lyhentää huomattavasti aikajanaa kohteen tunnistamisesta valmistukseen. Lisäksi samoja reittien suunnitteluperiaatteita voidaan soveltaa muiden arvokkaiden luonnontuotteiden, syöpälääkkeiden, immunosuppressanttien ja biopolttoaineiden tuottamiseen.

Yhteistyötoimet, kuten []-mikrobilääkeresistenssiä koskevat maailmanlaajuiset tutkimusaloitteet[, ovat välttämättömiä näiden toimien rahoittamiseksi ja koordinoimiseksi. Pysyvien investointien avulla voidaan täydentää uusien antibioottien putkistoa, joka tarjoaa lääkäreille tehokkaita aseita lääkeresistenttejä infektioita vastaan.

Päätelmät

Biokemiallisten reittien suunnittelu uusille antibiooteille on erittäin lupaava strategia antibioottiresistenssin kasvavan kriisin torjumiseksi. Genominlouhintaa, synteettisiä biologian työkaluja (mukaan lukien CRISPR, ohjattu kehitys ja laskentamallit) hyödyntämällä tutkijat voivat luoda ja optimoida polkuja, jotka tuottavat täysin uusia yhdisteitä. Vaikka polun monimutkaisuuden, myrkyllisyyden ja skaalautuvuuden haasteet ovat edelleen olemassa, jatkuvat innovaatiot muuttavat nämä esteet nopeasti mahdollisuuksiksi. Bioinformatiikan, geenien editointien ja metabolisen suunnittelun jatkuva lähentyminen tuottaa viime kädessä kestävää ja kustannustehokasta seuraavan sukupolven antibioottien tuotantoa.