Nowe podejście pozwala na identyfikację nowych produktów mikrobiologicznych o potencjalnym działaniu farmaceutycznym
Naturalne produkty lub metabolity oparte na mikroorganizmach od dawna stanowią podstawę wielu leków, w tym antybiotyków. Jednak z powodu pojawienia się problemu oporności wśród bakterii chorobotwórczych tracą one swoje działanie.
Nowe podejście do klonowania mikrobiologicznych klastrów genów biosyntetycznych
Opracowywanie nowych, naturalnych cząsteczek w tradycyjny sposób polega na hodowli bakterii z dużych zbiorów szczepów i analizie chemicznej wyprodukowanych metabolitów, co jest bardzo żmudnym, kosztownym i czasochłonnym procesem. W ramach projektu DiPaC_MC, utworzonego przy wsparciu programu „Maria Skłodowska-Curie”, wykorzystano sekwencjonowanie genomu w połączeniu z nowymi technologiami biologii syntetycznej do poszukiwania nowych cząsteczek. „Wiemy, że mikroorganizmy mają genetyczną zdolność do wytwarzania znacznie większej niż zidentyfikowana ilości naturalnych produktów. Zazwyczaj wynika to z faktu, że w warunkach laboratoryjnych geny mogą być nieaktywne”, wyjaśnia członek projektu, Paul D'Agostino. Aby pokonać to ograniczenie, wykorzystał on mikroorganizmy, które tradycyjnie były pomijane w odniesieniu do biosyntezy produktów naturalnych, ale prawdopodobnie kodowały genetycznie dużą ilość klastrów genów biosyntetycznych produktów naturalnych. D'Agostino dokonał sekwencji genomów tych mikroorganizmów i opracował nową strategię biologii syntetycznej w celu skutecznego wychwytywania klastrów genów biosyntetycznych i aktywowania ich w alternatywnym, dokładnie przebadanym gospodarzu bakteryjnym. Ponieważ wiele z tych elementów genetycznych pozostaje nieaktywnych w organizmie rodzimym, umieszczając je w organizmie drugiego gospodarza i pod kontrolą różnych mechanizmów regulacyjnych, był on w stanie w sztuczny sposób aktywować klastry genów biosyntetycznych i zidentyfikować zakodowane produkty naturalne. Podejście to, znane pod nazwą Direct Pathway Cloning (DiPaC), było w stanie pokonać wiele ograniczeń poprzednich metod poprzez zwiększenie jego szybkości i skuteczności. Metoda ta umożliwia wychwytywanie, przebudowę i ekspresję szlaków biosyntetycznych w ciągu kilku tygodni. Prace wykonane w ramach projektu DiPaC_MC poskutkowały wygenerowaniem sekwencji genomów dla szeregu mikroorganizmów. Zgodnie z przewidywaniami, analiza bioinformatyczna wykazała, że wiele z tych organizmów koduje wiele klastrów genów biosyntetycznych odpowiedzialnych za wytwarzanie unikalnych produktów naturalnych. Do tej pory zidentyfikowano ponad 200 takich klastrów genów biosyntetycznych.
Wpływ kliniczny projektu DiPaC_MC
„Jako że oporność na leki może stać się w najbliższej przyszłości poważnym światowym problemem, a firmy farmaceutyczne zamykają programy opracowywania nowych leków, wypełnienie luki w zakresie opracowywania nowych antybiotyków pozostawiono w gestii środowiska akademickiego” – podkreśla D'Agostino. Metoda DiPaC oferuje nowe podejście do odkrywania nowych cząsteczek oparte na prognozowaniu bioinformatycznym nowego składu chemicznego produktu końcowego. Co ważne, metoda DiPaC umożliwia aktywację tych klastrów genów biosyntetycznych w sposób szybszy niż w przypadku tradycyjnych metod. Ponadto poprzez umieszczenie genów w organizmie gospodarza o szybszym tempie wzrostu można uzyskać wyższe miana produktu. Przy wykorzystaniu uznanych technik molekularnych metodę DiPaC można łatwo przenieść do innych laboratoriów. Ponieważ z prośbą o zastosowanie tej technologii zwróciło się już wiele zespołów naukowych, oczekuje się, że metoda DiPaC będzie miała znaczący wpływ na szybkie opracowywanie bioaktywnych produktów naturalnych. Może być ona również wykorzystywana do określania funkcji enzymatycznych białek budzących szczególne zainteresowanie, jak również do tworzenia złożonych bibliotek analogowych w nadziei na wzrost aktywności biologicznej. „Wdrożenie metody DiPaC u odmiennych pod względem filogenetycznym mikroorganizmów przyspieszy odkrywanie nowych produktów naturalnych i biochemicznych, zwiększając tym samym prawdopodobieństwo odkrycia cząsteczek o znaczeniu farmaceutycznym”, podsumowuje D'Agostino.
Słowa kluczowe
DiPaC_MC, bezpośrednie klonowanie ścieżek (DiPaC), opracowywanie leków, klastry genów biosyntetycznych, sekwencjonowanie genomu, eksploracja genomu, bioinformatyka
