Besoin urgent d'antibiotiques nouveaux

L'Organisation mondiale de la Santé (OMS) a averti que, sans intervention urgente, les infections courantes et les blessures mineures pourraient de nouveau devenir mortelles (Fiche d'information sur la résistance aux antimicrobiens de l'OMS). Aux États-Unis seulement, plus de 2,8 millions d'infections résistantes aux antibiotiques se produisent chaque année, ce qui entraîne plus de 35 000 décès selon le CDC. Des sources traditionnelles d'antibiotiques, des bactéries du sol et des champignons, ont été largement exploitées, ce qui a entraîné la redécouverte de composés connus.

Principes fondamentaux des voies biochimiques pour la synthèse des antibiotiques

Les antibiotiques sont des produits naturels synthétisés par des microorganismes par des voies biochimiques complexes. Ces voies sont généralement composées d'une série de réactions catalysées par des enzymes qui convertissent les précurseurs simples en molécule bioactive finale.

Métabolisme primaire et secondaire

La biosynthèse des antibiotiques provient souvent du métabolisme secondaire, des voies qui ne sont pas essentielles à la croissance mais qui confèrent des avantages écologiques.Les métabolites secondaires, y compris les antibiotiques, sont constitués de métabolites primaires comme les acides aminés, l'acétyl-CoA et le malonyl-CoA. Les principales classes d'enzymes impliquées comprennent les polykétides synthases (PKS), les synthétases des peptides non ribosomaux (NRPS) et les enzymes de perfectionnement telles que les méthyltransférases, les hydroxylases et les glycosyltransférases.

Classes d'enzymes clés

  • Polyketide Synthases (PKS):[ Ces enzymes multimodulaires assemblent des chaînes de polyketide par condensations successives de Claisen. Les PKS de type I sont particulièrement importants pour les antibiotiques macrolides comme l'érythromycine. La manipulation génétique des domaines PKS peut générer des produits polyketides altérés.
  • [FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FST:][F][FST:][FST][F][FLT:][FPT][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][FLT:][F][F][F.
  • Enzymes de mise en adéquation: Après l'assemblage de l'échafaudage du noyau, les enzymes de mise en adéquation modifient la molécule pour conférer la bioactivité, la stabilité ou le transport.

Concevoir des chemins : de la découverte de gènes à l'assemblage de chemins

Le processus de conception de nouvelles voies antibiotiques commence par identifier les plans génétiques — groupements de gènes biosynthétiques (CGC) — qui codent les enzymes nécessaires. Les progrès dans le séquençage du génome et la bioinformatique ont permis de extraire des génomes bactériens pour les CGC qui peuvent produire des composés inconnus (Nature Reviews Microbiology review on Genome Mining).

Identification des gènes et exploitation par grappes

Les outils informatiques comme l'antiSMASH permettent aux scientifiques d'identifier rapidement les GCB dans les génomes microbiens. Ces grappes contiennent souvent des gènes de la synthase du noyau (p. ex., gènes PKS ou NRPS) ainsi que des gènes régulateurs et résistants. Les GCB prédits peuvent ensuite être clonés à partir d'ADN environnemental ou synthétisés de novo.

Stratégies d'ingénierie des voies

  • Refactoring:[ Enlever les éléments réglementaires indigènes et les remplacer par des promoteurs puissants et inductibles peut augmenter de façon spectaculaire les rendements de production.
  • Domaine et module d'échange:[ Pour les PKS modulaires et les NRPS, remplacer un domaine par un homologue peut changer le bloc de construction monomère, générant un nouveau produit.
  • Enzyme Évolution dirigée: La mutagenèse et le dépistage itératifs peuvent améliorer l'activité enzymatique, la portée du substrat ou la spécificité des analogues antibiotiques désirés.

Sélection de l'hôte et expression hétérologue

Le choix d'un organisme hôte approprié est essentiel. Escherichia coli et Saccharomyces cerevisiae sont favorisés pour leur capacité de reproduction génétique et leur croissance rapide, mais ils peuvent manquer des précurseurs spécifiques ou des machines post-traductionnelles nécessaires. Streptomyces, la source naturelle de nombreux antibiotiques, offrent un environnement plus indigène mais sont plus lents à l'ingénierie.

Outils modernes Accélérer la conception des voies

La biologie synthétique et l'ingénierie génomique ont révolutionné la construction de voies biochimiques. Plusieurs techniques de pointe sont maintenant couramment utilisées pour accélérer le cycle de conception-construction-essai-apprentissage.

CRISPR-Cas9 pour la correction précise du génome

Dans Streptomyces, les systèmes basés sur le CRISPR ont grandement réduit le temps nécessaire pour éliminer les voies concurrentes ou intégrer de grands groupes de gènes. Cette technologie facilite également l'édition sans marque, essentielle pour produire des souches adaptées à la fermentation industrielle (article de l'ACS sur la biologie synthétique du CRISPR dans Streptomyces).

Evolution dirigée et optimisation des enzymes

L'évolution dirigée imite la sélection naturelle en laboratoire. En créant des bibliothèques de variantes enzymatiques par mutagenèse aléatoire ou PCR à risque d'erreur, les chercheurs peuvent choisir pour améliorer l'efficacité catalytique, modifier la spécificité du substrat ou améliorer la stabilité. Par exemple, l'évolution dirigée a été utilisée pour concevoir un cytochrome P450 qui hydroxylate des substrats non naturels, permettant la production de dérivés antibiotiques avec de meilleures propriétés pharmacologiques.

Modélisation computationnelle et intelligence artificielle

Les modèles basés sur l'analyse de l'équilibre des flux peuvent prédire les goulets d'étranglement métaboliques et guider les stratégies de suppression ou de surexpression des gènes. Les algorithmes d'apprentissage automatique, formés sur de grands ensembles de données de BGC et de voies connues, peuvent proposer de nouvelles combinaisons d'enzymes qui pourraient produire des antibiotiques jusque-là invisibles.

Surmonter les défis de la construction des voies

Malgré les outils puissants disponibles, la conception et la mise en oeuvre de nouveaux antibiotiques restent difficiles. De nombreux obstacles doivent être relevés pour passer du concept à la production.

Complexité et obstacles réglementaires

Les voies d'antibiotiques naturels impliquent souvent des dizaines d'enzymes, de multiples couches régulatrices et des boucles d'inhibitions de rétroaction complexes. La reproduction de cette complexité dans un hôte hétérologue peut conduire à de faibles rendements ou à un silencieux de voie. Il faut bien ajuster les forces du promoteur, les nombres de copies de gènes et les concentrations d'inducteurs.

Toxicité et charge métabolique

L'activité même qui rend les antibiotiques précieux, soit la synthèse de parois cellulaires bactériennes, la synthèse de protéines ou la réplication de l'ADN, peut également nuire à l'hôte de production. Les stratégies pour surmonter cela comprennent l'utilisation de systèmes d'expression orthogonale, les voies compartimentées au sein des organites (p. ex., les peroxysomes dans la levure) ou les souches d'hôtes techniques avec des cibles résistantes.

Scénario et fermentation

Les voies qui fonctionnent dans les flacons de shake peuvent échouer lorsqu'elles sont mises à l'échelle des bioréacteurs industriels en raison de la limitation de l'oxygène, des défis d'alimentation du substrat ou de la sensibilité au cisaillement.

Orientations et impact futurs

L'avenir de la production d'antibiotiques nouveaux réside dans l'intégration de multiples disciplines. La biologie synthétique continuera à fournir des parties génétiques normalisées et un châssis modulaire. La synthèse de l'ADN à haut débit et le clonage automatisé accéléreront la construction de milliers de variantes de voies. L'intelligence artificielle guidera probablement la conception de voies biosynthétiques entièrement nouvelles en silico en utilisant l'apprentissage profond pour prédire les interactions entre les enzymes et les substrats.

Une perspective intéressante est le développement de plateformes d'accueil universelles qui peuvent être rapidement reprogrammées pour produire n'importe quel antibiotique désiré lors de l'induction. Ces systèmes, combinés à l'optimisation des contraintes entraînées par la machine, pourraient considérablement raccourcir le délai de l'identification des cibles à la fabrication.

Des efforts de collaboration comme les initiatives mondiales de recherche sur la résistance aux antimicrobiens sont essentiels pour financer et coordonner ces efforts.Avec des investissements soutenus, le pipeline d'antibiotiques nouveaux peut être reconstitué, fournissant aux médecins des armes efficaces contre les infections pharmacorésistantes.

Conclusion

En tirant parti de l'exploitation minière du génome, des outils de biologie synthétique (y compris le CRISPR, l'évolution dirigée et la modélisation computationnelle), les chercheurs peuvent créer et optimiser des voies qui produisent des composés entièrement nouveaux. Bien que des défis subsistent en matière de complexité, de toxicité et d'évolutivité des voies, les innovations en cours transforment rapidement ces obstacles en possibilités. La convergence continue de la bioinformatique, de l'édition génétique et de l'ingénierie métabolique permettra en fin de compte d'assurer une production durable et rentable d'antibiotiques de la prochaine génération, ce qui sauvera d'innombrables vies dans le monde entier.