Inleiding: Een nieuwe grens in de strijd tegen superbugs

Antimicrobiele resistentie (AMR) is door de Wereldgezondheidsorganisatie uitgeroepen tot een van de top tien wereldwijde bedreigingen voor de volksgezondheid. De pijpleiding voor nieuwe antibiotica is al decennia lang aan het drogen, waardoor artsen met weinig opties tegen multi-drug resistente pathogenen. Synthetische biologie . . het doelbewust herontwerp van biologische systemen voor nuttige doeleinden . biedt een transformatieve aanpak van antibiotica ontdekking. Door het toepassen van technische principes op genetica, synthetische biologie maakt de creatie van moleculen die de natuur nooit geëvolueerd, de reactivering van stille bio-onbewerkte routes, en de snelle optimalisatie van de productiestammen. Dit artikel onderzoekt hoe synthetische biologie wordt gebruikt om nieuwe antibiotica te ontwikkelen, de belangrijkste technologieën die daarbij betrokken zijn, veelbelovende recente doorbraken, en de weg die voor ons ligt.

Wat is synthetische biologie?

Synthetische biologie bevindt zich op het snijpunt van moleculaire biologie, engineering, computerwetenschap en chemie. In tegenstelling tot traditionele genetische manipulatie, die meestal kleine, gerichte veranderingen aan bestaande organismen maakt, synthetische biologie streeft naar het bouwen van volledig nieuwe biologische onderdelen, apparaten en systemen . . of om bestaande organismen in principe te herprogrammeren, voorspelbare manieren. Kerntools omvatten DNA synthese (schrift lange strengen van aangepaste DNA), CRISPR-gebaseerde genoombewerking, modulaire genetische circuit ontwerp, en computationele modellering van metabole routes. Deze instrumenten kunnen onderzoekers om levende cellen te behandelen als programmeerbare fabrieken, in staat om complexe moleculen te produceren . . inclusief antibiotica . die moeilijk of onmogelijk te verkrijgen zijn door conventionele chemische synthese of natuurlijke product extractie.

Het veld is sinds begin 2000 snel gerijpt. De kosten van DNA-synthese zijn dramatisch gedaald, geautomatiseerde gieterijen kunnen duizenden ontwerpen per week testen en machinelearning-algoritmen kunnen nu met opmerkelijke nauwkeurigheid eiwitstructuren en enzymactiviteiten voorspellen. Deze vooruitgang maakt synthetische biologie een bijzonder krachtige motor voor antibiotica-ontdekking. Voor meer informatie over de basisprincipes biedt het SynBio Project een uitstekend overzicht van de technologie en de maatschappelijke implicaties ervan.

De dringende behoefte aan nieuwe antibiotica

De Wereldgezondheidsorganisatie schat dat bacteriële resistentie wereldwijd in 2019 direct 1,27 miljoen sterfgevallen heeft veroorzaakt en dat het aantal sterfgevallen stijgt. Carbapente-resistente Acinetobacter baumannii, methicilline-resistente [Staphylococcus ocean en extend-spectrum beta‐lactamase-producerende Escherichia coli[] zijn slechts enkele van de pathogenen die routinematig last-resortdrugs trotseren. De WHO heeft een lijst gepubliceerd van ziekteverwekkers waarvoor nieuwe antibiotica kritisch nodig zijn, maar de klinische pijpleiding blijft dun. Vanaf 2024, zijn slechts 50 nieuwe antibiotica in klinische ontwikkeling, en de meeste zijn wijzigingen van bestaande klassen die resistentie snel kunnen ontwikkelen.

Het kernprobleem is dat de traditionele antibioticaontdekkingsbenaderingen plateau zijn. Bodem-woning micro-organismen zijn al decennia de belangrijkste bron van antibiotica, maar de ..laaghangende vrucht . is grotendeels geplukt. Screens van natuurlijke productbibliotheken steeds meer rendement bekende verbindingen, terwijl synthetische chemische bibliotheken vaak niet in staat om moleculen te produceren met de juiste mix van potentie, veiligheid en drug-achtige eigenschappen. De economische belemmeringen zijn ook ernstig: antibiotica worden gebruikt voor korte cursussen, hebben lage winstmarges in vergelijking met chronische ziekten drugs, en zijn vaak voorbehouden om de werkzaamheid te behouden. Dit marktfalen heeft veel grote farmaceutische bedrijven ertoe gebracht om helemaal af te zien van antibioticaonderzoek.

De pagina van de WHO over antimicrobiële resistentie biedt gedetailleerde gegevens en strategische aanbevelingen.

Beperkingen van traditionele ontdekking

  • Opnieuw ontdekken van bekende verbindingen: Traditioneel onderzoek identificeert dezelfde moleculen herhaaldelijk omdat de meeste cultiveerbare microben slechts een fractie van hun genetische potentieel produceren onder laboratoriumomstandigheden.
  • Grote chemische diversiteit: Natuurproductensteigers zijn uitgebreid uitgebuit en veel chemische klassen worden nu in gevaar gebracht door wijdverbreide weerstandsmechanismen.
  • Hoge kosten en lage doorvoer: Het uitvoeren van grootschalige fermentatie- en zuiveringsschermen is duur en traag, vaak duurt het jaren van hit tot lood.
  • Ontwikkeling van resistentie: Zelfs nieuwe moleculen die structureel vergelijkbaar zijn met bestaande geneesmiddelen kunnen kruisresistentie ondervinden, waardoor hun klinische levensduur wordt verminderd.

Synthetische biologie benaderingen van de ontwikkeling van antibiotica

Synthetische biologie pakt deze beperkingen aan door rationeel ontwerp, routerefactoring en hoge-doorvoeroptimalisatie mogelijk te maken. In plaats van te vertrouwen op kans of brute-force screening, kunnen onderzoekers organismen ingenieur om nieuwe verbindingen te produceren, cryptische bio-onvertaalde genclusters te activeren en zelfs volledig nieuwe chemische architecturen te creëren. De volgende subsecties beschrijven de belangrijkste benaderingen.

Pathway Engineering en Cryptic Cluster Activation

De meest bekende antibiotica komen van secundaire metabole routes in bacteriën (vooral Strepts gene clusters soorten) en schimmels. Genome sequencing heeft aangetoond dat deze organismen meer bio-onbewerkte gen clusters (BGC's) herbergen dan ze onder standaard laboratoriumomstandigheden uitdrukken . Vaak genoemd .silent . of .cryptische . clusters. Synthetische biologie biedt instrumenten om deze clusters te wekken door inheemse promotors te vervangen door sterke, inducibele, of door het herfactoreren van hele clusters en ze te transplanteren in goed-gepersonaliseerde gastheerorganismen zoals Escherichia coli of ]Strepts genealogine coe Coelicolor[[[].

Zo is de ontdekking van teixobactin (een veelbelovend cel-wall-actief antibioticum) een stap verder gegaan door het kweken van voorheen oncultubele bodembacteriën, maar synthetische biologie kan dit nog een stap verder zetten: door het synthetiseren en refactoreren van BGC's van metagenomisch DNA, kunnen onderzoekers toegang krijgen tot het chemische potentieel van microben die helemaal niet in het lab kunnen worden gekweekt. Pathway engineering maakt het ook mogelijk hybride antibiotica te creëren door domeinen te ruilen tussen polyketidesynthases of nonribosomale peptidesynthetasen, waarbij moleculen worden geproduceerd met veranderde steigerstructuren en verbeterde activiteit.

Gene Synthese en De Novo Ontwerp van antimicrobiële peptoden

In plaats van te vertrouwen op natuurlijke sjablonen, synthetische biologie kan volledig nieuwe antimicrobiële moleculen ontwerpen. Antimicrobiele peptiden (AMP's) zijn een veelbelovende klasse: ze zijn kort, amfipathische peptiden die bacteriële membranen verstoren. Echter, natuurlijke AMP's hebben vaak slechte stabiliteit, toxiciteit voor zoogdiercellen, of hoge productiekosten. Met behulp van synthetische biologie, kunnen onderzoekers AMP's ontwerpen de novo, het optimaliseren van sequenties voor lading, hydrofobiciteit en helicity. Deze sequenties kunnen worden gecodeerd in synthetische genen en uitgedrukt in gemanipuleerde productiehosts zoals Pichia pastoris[ of E. coli.

Machine learning versnelt dit proces. Modellen kunnen antimicrobiële activiteit, hemolyse en andere eigenschappen van peptidesequenties voorspellen, en vervolgens geoptimaliseerde varianten voorstellen. In een opvallend voorbeeld gebruikten wetenschappers bij MIT een diep-learning model om meer dan 100 miljoen moleculen te onderzoeken en identificeerden een nieuwe antibioticakandidaat, halicin, die een breed spectrum activiteit toonde, zelfs tegen geneesmiddelresistente stammen.Halicin is een klein molecuul, maar dezelfde aanpak is toegepast op peptide ontdekking.De combinatie van AI-gedreven ontwerp en synthetische biologie-enabled productie zorgt voor een snelle cyclus voor het genereren van leads.

Host Engineering voor efficiënte productie

Zelfs de beste antibioticamoleculen zijn nutteloos als ze niet op schaal en tegen redelijke kosten kunnen worden geproduceerd. Veel natuurlijke productantibiotica zijn complexe secundaire metabolieten die niet economisch chemisch kunnen worden gesynthetiseerd; fermentatie van de inheemse producent is vaak traag en laag-verdienend. Synthetische biologie richt zich hierop door het ontwerpen van robuuste industriële gastheren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Host engineering omvat het optimaliseren van de precursor aanbod, het elimineren van concurrerende metabole routes, en het verbeteren van de tolerantie voor het product. Bijvoorbeeld, de productie van Artemisin (een antimalaria) in gist was een mijlpaal prestatie, en soortgelijke strategieën worden nu toegepast op antibiotica. Onderzoekers hebben ontworpen E. coli[] om erythromycine-analogen, vancomycine precursors, en zelfs nieuwe β‐lactam antibiotica te produceren door het combineren van genen uit verschillende organismen. Vooruitgang in genoombewerking (CRISPR‐Cas9, basisredacteuren) en metabole modellering (genome-schaal modellen, flux balans analyse) hebben host engineering sneller en voorspelbaar gemaakt.

Cell-Free synthetische biologie voor snelle prototypering

Een nieuwe complementaire aanpak is celvrije synthetische biologie, die extracten van lysedcellen (of gezuiverde enzymen) gebruikt om biochemische reacties buiten een levend organisme uit te voeren. Cellvrije systemen omzeilen de beperkingen van cellevensvatbaarheid . toxische tussenproducten doden de gastheer niet, en routeoptimalisatie kan worden gedaan in een kwestie van uren in plaats van weken. Onderzoekers hebben celvrije expressie gebruikt om snel combinaties van bio-onbewerkte enzymen te testen, knelpunten te identificeren en kleine hoeveelheden kandidaat-antibiotica voor screening te produceren. Zodra gevalideerd, kan de geoptimaliseerde route worden overgebracht naar een levende gastheer voor schaalproductie. Deze pijplijn versnelt de ontwerp-build-test-test-learn cyclus.

Belangrijkste succesverhalen: Synthetische Biologie levert

Hoewel er nog veel inspanningen in de onderzoeksfase zijn, tonen enkele opmerkelijke successen de kracht van de synthetische biologie aanpak aan.

  • Geïngeniered vancomycine-analogen: Onderzoekers aan de Rockefeller Universiteit gebruikten synthetische biologie om gemodificeerde vormen van vancomycine te produceren die resistentie overwinnen. Door het veranderen van de peptide-backbone en het toevoegen van lipide-bindende modieen, creëerden ze verbindingen met krachtige activiteit tegen vancomycine-resistente enterokokken (VRE).De gemanipuleerde stammen produceerden het complexe molecuul via gerefactoreerde biosynthetische routes.
  • Malacida: Deze calcium-afhankelijke antibiotica werden ontdekt door metagenomische DNA-analyses van bodemmonsters te ontginnen.Het biosynthetische gencluster werd geïdentificeerd, gesynthetiseerd en uitgedrukt in een heterologe gastheer, wat een nieuwe klasse antibiotica oplevert die actief is tegen MRSA en andere Gram-positieve pathogenen. Dit werk benadrukt hoe synthetische biologie de diversiteit van natuurlijke producten ontsluit zonder de noodzaak tot teelt.
  • Strepts' chassis voor nieuwe polyketiden: Wetenschappers hebben een superhost geëngineerd Strepts' stam die >30 stille BGC's onder gecontroleerde omstandigheden uitdrukt, wat leidt tot de ontdekking van verschillende nieuwe macrolide antibiotica. Door regelgevende elementen te ruilen en routespecifieke activatoren uit te drukken, activeerden ze clusters die nooit in de wild-type stam tot uitdrukking kwamen.
  • De novo heeft antimicrobiële peptiden ontworpen: Verschillende groepen hebben machine learning gebruikt om peptiden met breedspectrumactiviteit en een lage zoogdier-onverzadigde peptiden te ontwerpen. Eén van deze peptiden, genoemd

Een uitgebreide herziening van synthetische van biologie afgeleide antibiotica is te vinden in dit 2023 Nature artikel, waarin de engineering van de antibioticaneuramycine wordt besproken via routerefactoring.

Uitdagingen en ethische overwegingen

Ondanks zijn belofte, wordt synthetische biologie-gedreven antibiotica ontdekking geconfronteerd met aanzienlijke hindernissen.

  • Technische uitdagingen: BGC's kunnen zeer groot zijn (>100 kb), moeilijk te synthetiseren, en vereisen vaak post-translationele wijzigingen die niet ondersteund worden door de gemeenschappelijke heterologe hosts. Enzyme promiscuïteit en substraat beschikbaarheid kunnen de opbrengst beperken. Veel veelbelovende leads maken het nooit voorbij de milligramschaal.
  • Ontwikkeling van de resistentie: Zelfs nieuwe antibiotica kunnen worden overwonnen door bacteriële evolutie binnen een paar jaar. De synthetische biologie pijpleiding moet voortdurend worden gevoed met nieuwe leads, en strategieën die trage weerstand .. zoals het richten op meerdere sites of het gebruik van adjuvante combinaties . moeten vroeg worden geïntegreerd.
  • Regulering en veiligheid: Genetisch gemanipuleerde productieorganismen kunnen problemen met de bioveiligheid aan de orde stellen, met name als ze genen voor toxische stoffen bevatten of als ze ontsnappen in het milieu. Strikte insluitings- en kill-switch ontwerpen zijn vereist. Regelgevende routes voor antibiotica geproduceerd door synthetische biologie kan onduidelijk zijn, aangezien regelgevende instanties beperkte ervaring hebben met producten gemaakt via uitgebreide genetische refactoring.
  • Economische levensvatbaarheid: De kosten van de ontwikkeling van een nieuw antibioticum door synthetische biologie kunnen vergelijkbaar zijn met traditionele methoden . . Vaak meer dan $1 miljard . . en het rendement op de markt is onzeker. Nieuwe economische modellen, zoals abonnements- of .pull stimuli, zijn nodig om antibiotica O&O duurzaam te maken.

Ethische overwegingen omvatten ook billijke toegang: indien synthetische biologie goedkope productie van complexe antibiotica mogelijk maakt, mag de distributie niet worden beperkt door winstbejag, vooral in lage- en middeninkomenslanden waar de resistentie het hoogst is. In het VK [5-jaars AMR-actieplan ] wordt erkend dat innovatie nodig is bij zowel ontdekking als toegang.

Toekomstperspectieven: AI, Automatisering en Gepersonaliseerde Therapies

Het volgende decennium zal waarschijnlijk synthetische biologie nog nauwer samen te voegen met kunstmatige intelligentie en laboratoriumautomatisering. AI kan voorspellen welke BGC's het meest waarschijnlijk nieuwe antibiotica opleveren, ontwerp enzym varianten met verbeterde activiteit, en suggereren ..parts . (promoters, ribosoom binding sites, terminatoren) die de output van de route maximaliseren. Geautomatiseerde robot gieterijen kunnen duizenden genetische ontwerpen per week testen, waardoor gegevens terug te voeren naar de trein voorspellende modellen. Dit gesloten-loop systeem zou drastisch kunnen comprimeren van idee naar klinische kandidaat.

Ook een gepersonaliseerde antibioticatherapie kan haalbaar worden. Synthetische biologie kan worden gebruikt om patiëntspecifieke bacteriofagen te produceren die genen leveren die antimicrobiële peptiden coderen, of om probiotica te ontwikkelen die antibiotica afscheiden in situ op de plaats van infectie. Hoewel deze benaderingen speculatief zijn, tonen vroege proeven met gemanipuleerde fage cocktails belofte tegen biofilm-geassocieerde infecties.

Een andere grens is de synthese van geheel nieuwe klassen van moleculen die niet worden beperkt door natuurlijke steigers. Wetenschappers hebben al .xeno-nucleïnezuren (XNA's) en .xeno-peptiden gecreëerd die niet worden herkend door bestaande weerstandsmechanismen. Als synthetische biologie deze moleculen op schaal kan produceren, kunnen ze duurzame oplossingen bieden.

Over het algemeen, synthetische biologie is geen magische kogel, maar het is misschien wel de meest krachtige toolkit ooit samengesteld voor antibiotica ontdekking. Door het combineren van rationele ontwerp met de enorme chemische ruimte toegankelijk via biologische systemen, het biedt een realistische weg om voor te blijven antimicrobiële resistentie. De vooruitgang die in de afgelopen tien jaar . . van het ontwaken van stille gen clusters tot het ontwerpen van kunstmatige peptiden . . moet de wereldwijde gezondheidsgemeenschap vertrouwen dat nieuwe antibiotica zijn niet alleen mogelijk, maar kan systematisch worden ontwikkeld.

Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd in Fleet Directus. Voor meer op het snijpunt van synthetische biologie en wereldwijde gezondheid, bezoek de Vlucht Directus blog.