Forschungsfortschritt bei der Gewinnung aktiver Sekundärmetaboliten von Streptomyces mit Hilfe von Genclustern mit ungerichteter Aktivierung und Silencing
Mikrobielle Sekundärmetaboliten sind eine Klasse strukturell vielfältiger, funktionell komplexer und biologisch aktiver Substanzen, die eine wichtige Rolle in der Arzneimittelforschung und -entwicklung spielen. Bislang wurden etwa 300000 Verbindungen aus Mikroorganismen identifiziert, wobei über 60% der Antibiotika aus Streptomyces stammen. Mit der Isolierung einer großen Anzahl von Sekundärmetaboliten sinkt jedoch die Wahrscheinlichkeit, Antibiotika mit signifikanter biologischer Aktivität und neuartigen Strukturen aus Streptomyces zu entdecken. In den letzten Jahren wurde mit der weit verbreiteten Anwendung der Genomsequenzierungstechnologie in der mikrobiellen Sequenzierung eine große Menge an Streptomyces-Genominformationen veröffentlicht. Bei der bioinformatischen Analyse der Streptomyces-Genomdaten wurde festgestellt, dass ein großer Teil der Gene immer noch in einem stummen Zustand ist, was darauf hindeutet, dass es noch eine große Anzahl potenzieller Sekundärmetaboliten gibt, die noch nicht entdeckt wurden. Aufgrund der konventionellen Kultivierungsbedingungen wurden die biosynthetischen Gencluster von Streptomyces nicht effektiv aktiviert, was dazu führt, dass ihre einzigartigen Stoffwechselwege oft weniger oder gar nicht exprimiert werden. Daher ist es von großer Bedeutung, neue aktive Sekundärmetaboliten zu erforschen, indem die stillen Gencluster von Streptomyces aktiviert werden.
Um die Expression von Silencing-Genen in Streptomyces zu aktivieren und aktivere Sekundärmetaboliten zu entdecken, wurden bisher verschiedene Methoden zur Aktivierung von Silencing-Gen-Clustern entwickelt und angewendet. Die häufig verwendeten Strategien lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Die eine ist die ungerichtete Aktivierungsstrategie, bei der Streptomyces durch Veränderung der Zusammensetzung des Kulturmediums (Kohlenstoffquelle, Stickstoffquelle, Spurenelemente, chemische Aktivatoren), der Wachstumsumgebung des Stammes (Temperatur, pH-Wert, Belüftung, Behältertyp) oder der mikrobiellen Ko-Kultur zur Produktion verschiedener Metaboliten veranlasst wird; Ein anderer Typ ist die gezielte Aktivierungsstrategie, bei der die Gen-Editierungstechnologie (CRISPR-Cas9), die gezielte Aktivierung spezifischer Gencluster (Promotor-Engineering, Aktivierung pathwayspezifischer regulatorischer Faktoren, heterologe Expression) und andere Mittel eingesetzt werden, um die Expression stillgelegter Gene in Streptomyces zu ermöglichen. Im Vergleich zu gezielten Aktivierungsstrategien erfordern nicht-zielgerichtete Aktivierungsstrategien nicht die Etablierung eines genetischen Manipulationssystems für den Zielstamm und haben daher den Vorteil, dass sie einfach zu handhaben sind und gleichzeitig mehrere biosynthetische Gencluster aktivieren können (anstelle eines spezifischen biosynthetischen Genclusters), wodurch sie breiter einsetzbar sind. Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über nicht gerichtete Aktivierungsstrategien für das Silencing von Genen in Streptomyces, wie z. B. die Änderung der Zusammensetzung des Kulturmediums oder der Kulturbedingungen, Co-Kultur-Strategien, die Zugabe chemischer Aktivatoren und die globale Regulierung (siehe Abbildung 1), und beschreibt die Probleme und künftigen Entwicklungsperspektiven auf diesem Gebiet.

Die Entdeckung von Antibiotika ist ein bedeutender Meilenstein in der Geschichte der medizinischen Entwicklung, da sie die Häufigkeit und Sterblichkeit von bakteriellen Infektionen erheblich reduziert hat. Derzeit werden etwa 60% der entdeckten Antibiotika von Streptomyces produziert. Mit dem weit verbreiteten Einsatz von Antibiotika treten jedoch zunehmend Probleme mit Resistenzen und Superbugs auf. Um die Probleme der Arzneimittelresistenz und der Superbugs zu lösen, müssen wir dringend neue Antibiotika erforschen. Eine bioinformatische Analyse der Genomdaten von Streptomyces ergab, dass sich ein erheblicher Teil der Gene in einem stummen Zustand befindet. Daher ist die Aktivierung stillgelegter Gencluster in Streptomyces eines der wichtigsten Themen der Gegenwart. Immer mehr Wissenschaftler haben das Potenzial von Streptomyces für die Entdeckung neuer Verbindungen erkannt und untersuchen, wie die Aktivierung stillgelegter Gencluster angeregt werden kann.

Je nachdem, ob das Zielgen für die Aktivierung klar ist, unterteilen wir die derzeitigen Aktivierungsstrategien in gerichtete Aktivierungsstrategien und nicht gerichtete Aktivierungsstrategien. Zu den ungerichteten Aktivierungsstrategien gehören Aktivierungsstrategien, die die Zusammensetzung oder die Bedingungen des Kulturmediums verändern, Ko-Kultur-Strategien, die Zugabe von chemischen Aktivatoren und die globale Regulierung. Im Vergleich zu einigen genbasierten Methoden wie Ribosomen-Engineering, Promoter-Engineering, Transkriptionsfaktor-Regulierung usw. haben nicht gerichtete Aktivierungsstrategien ihre eigenen Vorteile und Grenzen (siehe Tabelle 4). In den letzten Jahren wurden einige neue und innovative Methoden entwickelt, wie z. B. mikrofluidische Plattformen, die Kombination von Mikrofermentation und Stoffwechselmodellen im Genom-Maßstab, die Kombination von biogenen Röhren und Genomik, HiTEs usw., die eine große Rolle bei der Stimulierung stillgelegter Gencluster spielen. Die Kombination von nicht zielgerichteten Aktivierungsstrategien mit Metabolit-Fingerprinting-Analysen hat nachweislich zu bedeutenden Ergebnissen bei der Gewinnung von Sekundärmetaboliten geführt.