La necessità urgente di nuovi antibiotici

L'Organizzazione Mondiale della Sanità (WHO) ha avvertito che senza azione urgente, le infezioni comuni e le lesioni minori potrebbero diventare ancora una volta mortale (WHO antimicrobico resistente ai composti). Negli Stati Uniti da soli, più di 2,8 milioni di infezioni anti-biotici si verificano ogni anno, portando a oltre 35.000 morti secondo le fonti di antibiotico

Fondamenti di Biochimica Pathways per la sintesi antibiotica

Gli antibiotici sono prodotti naturali sintetizzati da microrganismi attraverso percorsi biochimici complessi, che sono tipicamente composti da una serie di reazioni catalizzate dagli enzimi che convertono i precursori semplici nella molecola bioattiva finale.

Metabolismo primario e secondario

I metaboliti secondari, compresi gli antibiotici, sono costruiti da metaboliti primari come aminoacidi, acetil-CoA e malon-CoA. Le classi chiave di enzimi coinvolti includono sinteti poliketide (PKSs), sintati peptide nonribosomiche (NRPSs),

Le classi chiave di enzime

  • Sintasi di poliketide (PKSs): Questi enzimi multimodulari assemblano catene di poliketide con successive condensazioni Claisen. Il tipo I PKSs è particolarmente importante per gli antibiotici macrolidi come l'eritromicina. La manipolazione genetica dei domini PKS può generare prodotti alterati di poliketide.
  • Sintomi nonribosomali del peptide (NRPSs):[] I peptidi di sintesi del NRPSss utilizzando una logica modulare, incorporando aminoacidi insoliti e generando strutture della spina dorsale trovate in antibiotici come la vancomicina e la daptomicina.
  • Immergenti:[] Dopo che il ponteggio del nucleo è assemblato, gli enzimi sartoriali modificano la molecola per conferire bioattività, stabilità o trasporto.

Progettare Pathways: Dalla scoperta di Gene all'assemblaggio Pathway

Il processo di progettazione per nuove vie antibiotiche inizia con l'identificazione dei blueprint genetici — cluster genetici biosintetici (BGC) — che codificano gli enzimi necessari. I progressi nella sequenziamento del genoma e bioinformatica hanno reso possibile la mine dei genoma batterici per BGC che possono produrre composti sconosciuti (Ricerca della microbiologia delle recensioni sulla estrazione del genoma)[FFFLT]

Identificazione e minazione di cluster

Gli strumenti computazionali come l'antiSMASH permettono agli scienziati di identificare rapidamente i BGC nei genoma microbici. Questi cluster contengono spesso geni di sintasi nucleo (ad esempio, PKS o NRPS) insieme a geni di regolazione e resistenza.

Strategie di ingegneria del percorso

  • Rifattore:[]] Rimozione degli elementi normativi nativi e sostituzione con i promotori forti e inducibili possono aumentare notevolmente i rendimenti di produzione.
  • Domain and Module Swapping:[ Per PKS modulari e NRPSs, la sostituzione di un dominio con un omolog può cambiare il blocco di costruzione monomero, generando un nuovo prodotto.
  • Evoluzione diretta dell'enzima:[ La mutagenesi e la screening iterativo possono migliorare l'attività degli enzimi, la portata del substrato, o la specificità per gli analoghi antibiotici desiderati.

Escherichia coli e Saccharomyces cerevisiae sono favoriti per la loro trattabilità genetica e la rapida crescita, ma potrebbero mancare i precursori specifici o le strategie posttraslazionali necessarie

Strumenti moderni Accelerare il percorso di progettazione

La biologia sintetica e l'ingegneria del genoma hanno rivoluzionato la costruzione di percorsi biochimici, e sono ora impiegate più tecniche all'avanguardia per accelerare il ciclo di progettazione-costruzione-test-learn.

CRISPR-Cas9 per la modifica del genoma preciso

CRISPR-Cas9 consente l'inserimento mirato, la cancellazione o la sostituzione dei geni delle vie di accesso direttamente nel genoma ospitante. In Streptomyces[, i sistemi basati su CRISPR hanno notevolmente ridotto il tempo necessario per eliminare le vie concorrenti o integrare grandi cluster genetici. Questa tecnologia facilita anche l'editing senza marcatori, che è essenziale per produrre ceppi adatti alla fermentazione industriale

Evoluzione diretta e ottimizzazione dell'enzima

Creando librerie di varianti enzimatiche attraverso la mutagenesi casuale o PCR, i ricercatori possono selezionare per migliorare l'efficienza catalitica, alterare la specificità del substrato o una maggiore stabilità. Ad esempio, l'evoluzione diretta è stata utilizzata per progettare un P450 citocromo che idrossila i substrati non naturali, consentendo la produzione di derivati antibiotici con migliori proprietà farmacologiche.

Modellazione computazionale e intelligenza artificiale

Modelli basati sull'analisi del bilanciamento del flusso possono prevedere strozzature metaboliche e guidare strategie di eliminazione o sovrapressione genica. Algoritmi di apprendimento della macchina, formati su grandi set di dati di BGCs noti e percorsi, possono proporre nuove combinazioni di enzimi che potrebbero produrre antibiotici inediti.

Superare le sfide nella costruzione di Pathway

Nonostante i potenti strumenti disponibili, la progettazione e l'attuazione di percorsi per nuovi antibiotici rimane impegnativo, molti ostacoli devono essere affrontati per passare dal concetto alla produzione.

Complessità e ostacoli regolatori

I percorsi antibiotici naturali spesso coinvolgono decine di enzimi, strati di regolazione multipli e intricati loop di inibizione del feedback. Riprodurre questa complessità in un host eterologo può portare a bassi rendimenti o assestamento del percorso. Attenzione sintonizzazione dei punti di forza del promotore, numeri di copia geni e concentrazioni dell'induttore è richiesto. Inoltre, molti intermedi del percorso o prodotti finali sono tossici per la cellula ospite, che richiedono la co-espressione di geni di resistenza.

Tossicità e Metabolica Burden

L'attività che rende gli antibiotici preziosi – disgregando la sintesi delle cellule batteriche, la sintesi proteica o la replica del DNA – può anche danneggiare l'ospite di produzione. Le strategie per superarlo includono l'uso di sistemi di espressione ortogonale, i percorsi di compartimentazione all'interno di organelli (ad esempio, i perossismi nel lievito), o gli sforzi di host di ingegneria con obiettivi resistenti.

Scalabilità e Fermentazione

I percorsi che lavorano in flauti a shake possono fallire quando scalati a bioreattori industriali a causa della limitazione dell'ossigeno, delle sfide di alimentazione substrata o della sensibilità alla cesoia. Lo sviluppo di processi di fermentazione robusti richiede una vasta ottimizzazione della composizione dei media, dei regimi di alimentazione e della purificazione a valle.

Le direzioni e l'impatto futuri

La biologia sintetica continuerà a fornire parti genetiche standardizzate e telai modulari. La sintesi del DNA ad alto rendimento e la clonazione automatizzata accelereranno la costruzione di migliaia di varianti di percorso. L'intelligenza artificiale probabilmente guiderà la progettazione di percorsi biosintetici completamente nuovi in silico]]] utilizzando l'apprendimento profondo per prevedere le interazioni degli enzimi-substrati.

Un'emozionante prospettiva è lo sviluppo di piattaforme host universali che possono essere riprogrammate rapidamente per produrre qualsiasi antibiotico desiderato all'induzione. Tali sistemi, combinati con l'ottimizzazione di ceppo a guida automatica, potrebbero ridurre drasticamente la linea temporale dall'identificazione di destinazione alla produzione. Inoltre, gli stessi principi di ingegneria del percorso possono essere applicati per produrre altri prodotti naturali preziosi - agenti anticancer, immunosuppressivi e biocarburanti.

Gli sforzi di collaborazione come le iniziative di ricerca antimicrobica [ globali [] sono essenziali per finanziare e coordinare questi sforzi. Con un investimento sostenuto, la pipeline di nuovi antibiotici può essere rifornito, fornendo medici con armi efficaci contro le infezioni antidroga.

Conclusioni

Progettare percorsi biochimici per antibiotici nuovi è una strategia altamente promettente per combattere la crescente crisi della resistenza agli antibiotici. Grazie alla sua valorizzazione, gli strumenti di biologia sintetica (inclusi CRISPR, evoluzione diretta e modellazione computazionale), i ricercatori possono creare e ottimizzare percorsi che producono composti completamente nuovi. Sebbene le sfide nella complessità dei percorsi, nella tossicità e nella scalabilità rimangano, le innovazioni in corso stanno rapidamente trasformando questi ostacoli in opportunità.