迫切需要新颖抗生素

抗生素抗药性是全球最紧迫的健康威胁之一. 世界卫生组织(卫生组织)警告说,如果不采取紧急行动,常见感染和轻微伤害可能再次致命(卫生组织抗微生物抗药性概况介绍). 仅在美国,每年就有280多万起抗生素抗药性感染,根据疾控中心,导致超过35 000人死亡. 抗生素的传统来源——土壤细菌和真菌——已广泛开采,导致已知化合物的重新发现. 小行星抗生素急需防治抗药性菌株,如-------------------------------------- ---------[1]-[1]-[FLT]-[FLT]-]-----

抗生素合成生物化学途径的基本原理

抗生素是微生物通过复杂的生化途径合成的天然产品,这些途径通常由一系列酶催化反应组成,这些反应将简单的前体转化为最终的生物活性分子。 理解这些途径对于重新设计这些途径以产生新的变体或全新的脚手架至关重要。

初等和中等代谢

抗生素生物合成往往产生于次级代谢途径,这些途径对生长来说并非必要,但具有生态优势。 次级代谢产物,包括抗生素,是由氨基酸、乙酰CoA和麦洛尼CoA等初级代谢产物所形成的。 所涉及的关键酶类包括多氯代谢酶(PKS)、非脊髓质环辛酸合成酶(NRPS)以及定制酶,如甲基转移酶、羟基酶和甘油酰转移酶。

关键酶类

  • 聚氯乙烯合成酶(PKS): 这些多模态酶通过连续的克莱森凝聚来组装多基苯链. I型PKS对于红素等宏观滑动抗生素来说特别重要. PKS域的基因操纵可以生成改变的多基苯基化产物.
  • Noliposomal Peptide Synthetas (NRPS): NRPS使用模块逻辑合成peptides,融合不寻常的氨基酸,生成像香霉素和daptomycin等抗生素中发现的骨干结构. domain互换或模块工程可以生产新型的peptides抗生素.
  • 泰洛环酶: 核心支架组装后,裁剪酶修改分子,以赋予生物活性,稳定性,或迁移性. 例子包括细胞色素P450单氧基酶和甘氨酸转移酶.

设计路径:从基因发现到路径大会

新的抗生素途径的设计过程始于确定编码必要酶的基因蓝图——生物合成基因组(BGCs),基因组测序和生物信息学的进步使得BGC的细菌基因组有可能产生未知化合物(自然审查关于基因组开采的微生物学审查)。

基因识别和集束采矿

抗SMASH等计算工具使科学家能够快速识别微生物基因组中的BGC,这些组群往往包含核心合成基因(如PKS或NRPS基因)以及调控和抗性基因,预示的BGC然后可以从环境DNA中克隆或重新合成,静态组群——在实验室条件下没有表达的群群——可以通过路径重构或异氧表达来激活.

路径工程战略

  • 重构: 取消原生的调控要素,代之以强力的,可导的促进者,可以大幅提高产量.
  • 域和模块突袭: 对于模块化的PKS和NRPS,用同源词替换一个域可以改变单体构件,生成新产品.
  • 酶导进化: 活性突变和筛选可以改善酶活性,底物范围,或对所期望的抗生素类比的特异性.

主机选择和异质表达式

选择适当的宿主机体至关重要。 Escherichia大肠杆菌[和[]Saccharomyces cerevisiae[]因其遗传可携带性和快速生长而得到偏好,但可能缺乏所需的特定前体或翻译后机械。 ]链路物种,许多抗生素的天然来源,提供了较本地的环境,但对工程师来说却较慢。共同的战略涉及通过提供前体路径来表达整个BGC在高产[ 链路[ 晶片或使用插件和播放法。E. Coli。

现代工具加速路径设计

合成生物学和基因组工程使生化途径的构建发生了革命性的变化。 现在,人们经常使用几种尖端技术来加快设计-建设-测试-学习周期。

精确基因组编辑的 CRISPR- Cas9

CRISPR-Cas9允许有针对性地插入、删除或替换直接输入宿主基因组的路径基因。在[]链球菌[中,基于CRISPR的系统大大缩短了淘汰竞争途径或整合大型基因组所需的时间。这一技术还有利于无标记编辑,这对于产生适合工业发酵的菌株[](ACSynthetic Biology 文章,关于链球菌中的CRISPR)。

定向进化和优化酶

定向进化在实验室中模仿自然选择. 通过随机突变或易误PCR创建酶变体库,研究人员可以选择提高催化效率,改变底物特异性,或增强稳定性. 例如,定向进化已经用于设计一个将非 ⁇ 天然底物进行羟基化的细胞色素P450,从而能够生产出具有较好药理特性的抗生素衍生物.

计算模型和人工智能

计算工具现在在路径设计中发挥着中心作用。基于通量平衡分析的模型可以预测代谢瓶颈,并引导基因的淘汰或过度表达策略。机器学习算法,在已知BGC和路径的大数据集上接受培训,可以提出酶的新组合,这些酶可能生产之前未见的抗生素。PathPred和RetroPath等工具提供了前向和反向合成路径建议,加速了设计阶段。

克服道路建设方面的挑战

尽管有强大的工具,但新颖抗生素的设计和实施仍然具有挑战性。 要想从概念转向生产,必须克服许多障碍。

复杂性和监管性

自然抗生素途径通常涉及数十种酶、多种调控层和复杂的反馈抑制循环。 在异质宿主中复制这种复杂性会导致产量低或途径静态化。 需要仔细调整促变强、基因复制数和诱变物浓度。 此外,许多途径中间体或最终产物对宿主细胞有毒,需要共表达抗变基因。

毒性和代谢负担

抗生素的产生价值的活性 — — 干扰细菌细胞壁合成、蛋白质合成或DNA复制 — — 也能够伤害生产主体。 克服这种情况的战略包括使用正交表达系统、在器官内(如酵母中的过氧化物)分割路径,或具有抗药目标的工程宿主菌株。 大型合成的高表达量带来的代谢负担也能减缓生长;使用生物传感器的动态代谢控制能够帮助平衡生产和生存能力。

伸缩和发酵

摇瓶中工作的途径在被压缩到工业生物反应器时可能因氧气限制、底质喂养挑战或剪切敏感性而失效。 发展强力发酵过程需要广泛优化介质成分、供餐系统和下游净化。 持续发酵和无细胞系统的进步为可伸缩生产提供了替代途径。

未来方向和影响

新颖的抗生素生产的未来在于融合多个学科. 合成生物学将继续提供标准化的遗传部件和模块化底盘. 高通量DNA合成和自动化克隆将加速千变体的构建. 人工智能很可能指导全新生物合成途径的设计[ in silico[ 利用深层学习来预测酶的基质相互作用.

一个令人振奋的前景是开发通用宿主平台,在诱导时可以迅速重新规划以生产任何理想的抗生素。 这种系统与机器学习驱动的菌株优化相结合,可以大大缩短从目标识别到制造的时间。 此外,同样的路径工程原则可以应用于生产其他有价值的天然产品 — — 抗癌剂、免疫抑制剂和生物燃料。

合作努力,如全球抗微生物抗药性研究倡议[,对资助和协调这些努力至关重要。 通过持续投资,新的抗生素的管道可以补充,为医生提供有效的抗药性感染武器。

结论

设计新型抗生素的生化途径是对抗抗生素抗药性日益增长的危机的极有希望的战略。 通过利用基因组开采、合成生物学工具(包括CRISPR、定向进化和计算模型),研究人员可以创造和优化生产全新的化合物的路径。 尽管路径复杂性、毒性和可扩展性方面仍然存在挑战,但持续的创新正在迅速将这些障碍转化为机遇。 生物信息学、基因编辑和代谢工程的持续融合最终将带来可持续、高成本效益的下一代抗生素生产 — — 拯救全世界无数生命。