Un nuovo approccio consente l’identificazione di nuovi prodotti microbici con potenziale attività farmaceutica
Prodotti o metaboliti naturali a base microbica sono stati a lungo la base di molti farmaci, compresi gli antibiotici. Tuttavia, essi stanno perdendo attività a causa della comparsa di resistenza tra i batteri patogeni.
Un nuovo approccio per la clonazione di cluster di geni biosintetici microbici
Tradizionalmente, la scoperta di nuove molecole naturali comporta la coltivazione di batteri provenienti da grandi collezioni di ceppi e l’analisi chimica dei metaboliti prodotti, una procedura molto noiosa e dispendiosa in termini di tempo e denaro. Intrapreso con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie, il progetto DiPaC_MC ha utilizzato il sequenziamento del genoma in combinazione con nuove tecnologie di biologia sintetica per cercare nuove molecole. «Sappiamo che i microrganismi hanno la capacità genetica di produrre molti più prodotti naturali di quanti ne siano stati identificati, tipicamente perché i geni potrebbero essere disattivati in condizioni di laboratorio», spiega il borsista del progetto Paul D’Agostino. Per ovviare a questa limitazione, egli ha sfruttato microrganismi tradizionalmente trascurati in termini di biosintesi di prodotti naturali ma che probabilmente avrebbero codificato geneticamente un gran numero di cluster di geni biosintetici di prodotti naturali. D’Agostino ha sequenziato i genomi di questi microrganismi e sviluppato una nuova strategia di biologia sintetica per catturare in modo efficace cluster di geni biosintetici e attivarli in un ospite batterico alternativo e ben studiato. Poiché molti di questi elementi genetici rimangono inattivi nell’organismo nativo, collocandoli all’interno di un secondo ospite e sotto il controllo di diversi meccanismi di regolazione, è stato in grado di attivare artificialmente i cluster di geni biosintetici, identificando i prodotti naturali codificati. Noto come Direct Pathway Cloning (DiPaC), questo approccio è stato in grado di superare molti dei limiti delle metodologie precedenti migliorando la velocità e le percentuali di successo. La metodologia consente l’acquisizione, la ristrutturazione e l’espressione di percorsi biosintetici nel giro di poche settimane. Il lavoro di DiPaC_MC ha generato sequenze di genomi per una serie di microrganismi. Come previsto, l’analisi bioinformatica ha dimostrato che molti di questi organismi hanno codificato più cluster di geni biosintetici responsabili della produzione di prodotti naturali unici. Ad oggi sono stati identificati oltre 200 cluster di geni biosintetici.
Impatto clinico del progetto DiPaC_MC
«Nel contesto odierno, in cui la resistenza ai farmaci minaccia di diventare un grave problema globale nel prossimo futuro e le aziende farmaceutiche smettono di sostenere i programmi di scoperta dei farmaci, colmare il vuoto della scoperta di nuovi antibiotici è un compito che è stato lasciato al mondo accademico», sottolinea D’Agostino. La metodologia DiPaC offre un nuovo approccio alla scoperta di molecole basato su previsioni bioinformatiche della novità chimica del prodotto finale. È importante sottolineare che DiPaC consente l’attivazione di questi cluster di geni biosintetici più rapidamente rispetto ai metodi tradizionali. Inoltre, posizionando i geni in un ospite a crescita più rapida, è possibile ottenere titoli di prodotto più elevati. Utilizzando tecniche molecolari consolidate, la metodologia DiPaC è facilmente trasferibile ad altri laboratori. Con molti team scientifici che già richiedono di utilizzare la tecnologia, DiPaC dovrebbe avere un impatto significativo sulla pronta scoperta di prodotti naturali bioattivi. DiPaC può anche essere utilizzato per determinare la funzione enzimatica di proteine particolarmente interessanti e per generare librerie analogiche di composti nella speranza di aumentare la bioattività. «L’implementazione della metodologia DiPaC su microrganismi filogeneticamente distinti accelererà la scoperta di nuovi prodotti naturali e la biochimica, aumentando così la probabilità di scoprire molecole con rilevanza farmaceutica», conclude D’Agostino.
Parole chiave
DiPaC_MC, direct pathway cloning (DiPaC), scoperta di farmaci, cluster di geni biosintetici, sequenziamento del genoma, estrazione del genoma, bioinformatica