Недостатня потреба в нові антибіотики

Антибіотична стійкість - один з найбільш пресованих глобальних загроз здоров'я. Всесвітня організація охорони здоров'я (ВОХ) попередила, що без невідкладної дії, загальні інфекції та незначні травми можуть знову стати смертельними (WHO антимікробний опір, що лист)]. У Сполучених Штатах, окремо, більше,8 мільйонів антибіотичних інфекцій, що відбуваються щороку, що призводить до більш ніж 35,000 летючих речовин [Fylococc] [Fylococc]

Основи біохімічних шляхів для антибіотикоциту

Антибіотики - це натуральні продукти синтезовані мікроорганізмами через комплексні біохімічні доріжки. Ці шляхи зазвичай складаються з серії фермент-каталізованих реакцій, які перетворюють прості прекурсори в кінцеву біоактивну молекулу. Розуміння цих шляхів є важливим для редизайнування їх для отримання нових варіантів або абсолютно нових спаролдів.

Первинна та вторинна метаболія

Біосинтез антибіотиків часто виникає з вторинного обміну—поверхівки, які не є важливими для росту, але конфера екологічні переваги. Посередні метаболіти, включаючи антибіотики, будуються з первинних метаболітів, таких як амінокислоти, ацетил-КоА, і malonyl-CoA. Основні ферментні класи, залучені до складу, включають полікетидні синтиази (PKS), нерибозомальні пептидні синтетази (NRPS), а також пошиття ферментів, таких як метилтрансферази, гідроксильази, глікосилтрансферази.

Ключові зачіски

  • Polyketide Synthases (PKSs): Ці мультимодульні ферменти збирають ланцюжки полікетиду за допомогою послідовних конденсацій Claisen. Тип I PKS особливо важливі для антибіотиків макроліду, таких як еритроміцин. Генетичні маніпуляції доменів PKS можуть генерувати модифіковані продукти полікетиду.
  • Nonribosomal Peptide Synthetases (NRPSs): NRPSs синтез пептидів з використанням модульної логіки, що не корелює незвичайні амінокислоти і генеруючи резервні структури, знайдені в антибіотиках, таких як ванкоміцин і птоміцин. Доменне покриття або модульна інженерія може виробляти нові пептидні антибіотики.
  • Tailoring Enzymes: Після того, як ядро скафольд зібрано, пошиття ферментів змінює молекулу для запліднення біоактивності, стабільності або транспорту. Приклади включають цитохромні монооксигенази P450 і глікосилтрансферази.

Проектування шляхів: Від гена Discovery до складання шляхової дороги

Процес проектування нових антибіотичних шляхів починається з виявлення генетичних сбіотичних стеклин - біосинтетичних генних кластерів (BGCs) - це зашифрування необхідних ферментів. Посланники в генеральному стисканні та біоінформатиці дозволили видобути бактеріальні геноми для BGC, які можуть виробляти невідомі сполуки (Натура Відгуки Мікробіологічних огляд на геному гірничому виробництві).

Генетична і кластерна гірнича справа

Комutational Tools, такі як антиSMASH дозволяють вчені швидко виявити BGCs в мікробіальних геномах. Ці кластери часто містять гени синтази (наприклад, PKS або NRPS) разом з генами нормативної та опори. Вироковані BGCs можуть бути склонені з екологічної ДНК або синтезованого de novo. Silent кластери, які не виражаються в лабораторних умовах, можуть бути активовані через рефакторинг шляху або гетерологічне вираз.

Стратегії інженерії шляхової дороги

  • Рефакторинг:] Видалення рідних елементів регулювання та заміщення їх з міцними, нездатними промоторами можуть різко збільшити врожайність продукції.
  • Домен і Модуль Заміна: для модульних PKSs і NRPSs, замінюючи один домен з гомологом може змінити мономерний блок будівлі, що генерує новий продукт.
  • Enzyme Directed Evolution: Цереативний мутагенез і скринінг може поліпшити активність ферментів, обсяг субстрату або специфічність для бажаних антибіотичних аналогів.

Вибір та гетерологічна експресія

Вибір відповідного організму хост є критичним. Escherichia coli і Saccharomyces cerevisiae] є прихильником для їх генетичної мінливості і швидкого зростання, але вони можуть не мати необхідних прекурсорів або післятрансляційної техніки. Streptomyces види, природний джерело багатьох антибіотиків, пропонують більш рідне середовище, але є повільніше інженера. Загальні стратегії включають вираження всіх BGCs в високоміцному середовищі [[[F6:]

Сучасні інструменти прискорення дизайну шляхової дороги

Синтетична біологія та геномна інженерія перетворили будівництво біохімічних шляхів. Кілька методів обрізки тепер регулярно використовуються для прискорення дизайну-вирощування-виживання циклу.

CRISPR-Cas9 для редагування геномів

CRISPR-Cas9 дозволяє цільову вставку, видалення або заміна генів шляхової дороги безпосередньо в геному господарстві. Streptomyces, CRISPR системи значно скоротили час, необхідний для збивання конкуруючих шляхів або інтегрування великих генних кластерів. Ця технологія також полегшує безцінне редагування, що є важливим для виробництва штамів, придатних для промислового бродіння (ACS Synthetic Biology article on CRISPR в Streptomyces).

Напрямок Еволюції та ферментної оптимізації

Напрямований еволюція імітує природний вибір в лабораторії. Створюючи бібліотеки ферментних варіантів через випадковий мутагенез або помилки-проне ПЛР, дослідники можуть вибрати для підвищення каталітичної ефективності, змінної специфічності субстрату або підвищення стабільності. Наприклад, спрямована еволюція була використана для інженера цитохрому П450, що гідроксильати неоприродних субстратів, що дозволяє виробляти антибіотичні похідні з кращими фармакологічними властивостями.

Моделювання та штучна розвідувальна розвідувальна робота

Комutational інструменти тепер грають центральну роль в розробці шляхів. Моделі на основі аналізу балансу флюсу можуть прогнозувати метаболічні пляшки і керівництво гена збивання або перевираження стратегій. алгоритми машинного навчання, навчені на великих даних відомих BGC і шляхових шляхів, можуть запропонувати нові комбінації ферментів, які можуть виробляти раніше непроцедурні антибіотики. Інструменти, як PathPred і RetroPath забезпечують вперед і ретросинтетичні рекомендації щодо шляхів, прискорення фази дизайну.

Передача викликів в будівництві шляхів

Незважаючи на доступні інструменти, проектування та впровадження шляхів для нових антибіотиків залишається складним. Багато перешкод повинні бути адресовані для переміщення від концепції до виробництва.

Комплексність та нормативні слухання

Натуральні антибіотико доріжки часто включають десятки ферментів, багаторазові нормативні шари, і складні зворотні петлі. Відтворюваність цієї складності в гетерологічному господарстві може призвести до низьких врожаїв або стежки. Ретельне тюнінг опорних сил, генерових чисел, і індукторних концентрацій. Додатково багато ходових проміжних або кінцевих продуктів токсичні до основного елемента, що перешкоджає співрозпізнанню генів опору.

Токситія і метаболічний бурден

Дуже активність, що робить антибіотики цінними — розвідка синтезу стін бактеріальної клітинки, синтез білка або реліквії ДНК — може також завдати шкоди виробничому господареві. Стратегії подолання цього включають в себе за допомогою ортогональних систем експресії, розфальсування шляхів в органелінах (наприклад, пероксиди в дріжджах), або інженерних хостових штамів з стійкими цілями. Метаболічні навантаження від високої експресії великих синтезів можуть також повільне зростання; динамічний контроль метаболізму за допомогою біосенсорів може допомогти балансувати виробництво і життєздатність.

Скальбільність та ферментація

Шляхи, які працюють в шейк-флаксах, можуть не в масштабі, коли використовуються промислові біореактори, що мають кисневе обмеження, виклики підкладки або чутливість зсуву. Розробка надійних процесів бродіння вимагає великої оптимізації медіа композиції, режимів годування та очищення від потоку. Попереджає в безперервних бродіннях та системах безклітинних забезпечують альтернативні шляхи для масштабування виробництва.

Напрямки та вплив на майбутнє

Майбутнє нового антибіотичного виробництва полягає в інтеграції декількох дисциплін. Синтетична біологія продовжить надавати стандартизовані генетичні частини та модульні шасі. Високий рівень ДНК та автоматизоване склінінг прискорить будівництво тисяч варіантів шляху. Штучний інтелект, ймовірно, буде керівництво дизайн абсолютно нових біосинтетичних шляхів в силіко] з використанням глибокого навчання для прогнозування взаємодії ферментів-підстрат.

Один захоплюючий перспектива є розробка універсальних платформ для хост, які можуть бути швидко запрограмовані для отримання будь-якого бажаного антибіотика при індукції. Такі системи, поєднані з машинно-розвантажувальної оптимізації штамів, можуть різко скорочувати час від визначення цілі до виробництва. Крім того, ті ж принципи інженерних шляхів можуть застосовуватися для отримання інших цінних натуральних продуктів—антиканцерів, імуносупресантів та біопалива.

Колегативні зусилля, такі як , глобалові антимікробні дослідження опору , необхідні для фінансування та узгодження цих зусиль. З стійкими інвестиціями, трубопроводи нових антибіотиків можна поповнювати, надати лікарям ефективній зброї проти антиоксидантних інфекцій.

Висновок

Проектування біохімічних шляхів для нових антибіотиків є високопрофесійною стратегією для боротьби з зростаючою кризою антибіотичної стійкості. Використовуючи видобуток геномів, синтетичні біологічні інструменти (включаючи CRISPR, спрямований еволюція та обчислювальне моделювання), дослідники можуть створювати та оптимізувати шляхи, які виробляють абсолютно нові сполуки. Хоча проблеми у складності шляху, токсичність, масштабованість залишаються, постійні інновації швидко перетворюючи ці перешкоди на можливості. Продовжити зближення біоінформатики, редагування генів та метаболічної техніки в кінцевому підсумку доставлять сталий, економічно ефективний виробництво антибіотиків наступного покоління, що полегшують безлімітне життя по всьому світу.