Исследования по поиску активных вторичных метаболитов Streptomyces с использованием кластеров генов ненаправленного активационного сайленсинга
Микробные вторичные метаболиты - это класс структурно разнообразных, функционально сложных и биологически активных веществ, которые играют важную роль в исследовании и разработке лекарств. На сегодняшний день из микроорганизмов идентифицировано около 300000 соединений, причем более 60% антибиотиков происходят из Streptomyces. Однако с выделением большого количества вторичных метаболитов вероятность открытия антибиотиков со значительной биологической активностью и новыми структурами из Streptomyces снижается. В последние годы, благодаря широкому применению технологии секвенирования генома микроорганизмов, большое количество информации о геноме Streptomyces стало общедоступным. В результате биоинформационного анализа данных генома Streptomyces было обнаружено, что значительная часть генов все еще находится в состоянии молчания, что указывает на наличие большого количества потенциальных вторичных метаболитов, которые еще не были обнаружены. Из-за обычных условий культивирования кластеры биосинтетических генов Streptomyces не были эффективно активированы, в результате чего их уникальные метаболические пути часто экспрессируются в меньшей степени или не экспрессируются вовсе. Поэтому очень важно изучить новые активные вторичные метаболиты путем активации молчащих генных кластеров Streptomyces.
Чтобы активировать экспрессию генов-глушителей у Streptomyces и открыть более активные вторичные метаболиты, к настоящему времени были разработаны и применены различные методы активации кластеров генов-глушителей. Обычно используемые стратегии можно разделить на две категории: Первая - стратегия ненаправленной активации, которая побуждает Streptomyces продуцировать различные метаболиты путем изменения состава культуральной среды (источник углерода, источник азота, микроэлементы, химические активаторы), среды роста штамма (температура, pH, аэрация, тип контейнера) или совместной культуры микроорганизмов; Другой тип - стратегия направленной активации, которая использует технологию редактирования генов (CRISPR-Cas9), направленную активацию определенных кластеров генов (инженерия промоторов, активация регуляторных факторов, специфичных для данного пути, гетерологичная экспрессия) и другие средства для обеспечения экспрессии заглушенных генов в Streptomyces. По сравнению со стратегиями направленной активации, стратегии ненаправленной активации не требуют создания системы генетических манипуляций для целевого штамма, поэтому имеют преимущества простоты работы и возможности одновременной активации нескольких кластеров биосинтетических генов (а не одного конкретного кластера биосинтетических генов), что делает их более широко применимыми. В данной статье представлен краткий обзор стратегий ненаправленной активации генов сайленсинга у Streptomyces, таких как изменение состава культуральной среды или условий культивирования, стратегии совместного культивирования, добавление химических активаторов и глобальная регуляция (см. рис. 1), а также описаны проблемы и перспективы развития в этой области.

Открытие антибиотиков - важная веха в истории развития медицины, значительно снизившая заболеваемость и смертность от бактериальных инфекций. В настоящее время около 60% открытых антибиотиков производятся Streptomyces. Однако с широким распространением антибиотиков проблемы резистентности и супержуков становятся все более заметными. Чтобы решить проблемы лекарственной устойчивости и супержучков, нам срочно необходимо найти новые антибиотики. В результате биоинформационного анализа данных генома Streptomyces было обнаружено, что значительная часть генов находится в состоянии молчания. Поэтому активация молчащих генных кластеров у Streptomyces является одной из важных проблем в настоящее время. Все больше ученых обращают внимание на потенциал Streptomyces для открытия новых соединений и начинают изучать, как стимулировать активацию молчащих генных кластеров.

В зависимости от того, ясен ли целевой ген для активации, мы разделяем существующие стратегии активации на стратегии направленной активации и стратегии ненаправленной активации. К ненаправленным стратегиям активации относятся стратегии активации, изменяющие состав или условия культуральной среды, стратегии совместного культивирования, добавление химических активаторов и глобальная регуляция. По сравнению с некоторыми генными методами, такими как инженерия рибосом, инженерия промоторов, регуляция транскрипционных факторов и т. д., ненаправленные стратегии активации имеют свои преимущества и ограничения (см. табл. 4). В последние годы были разработаны новые передовые методы, такие как микрофлюидические платформы, сочетание микроферментации и геномных моделей метаболизма, сочетание биогенных пробирок и геномики, HiTEs и т.д., которые играют огромную роль в стимулировании замалчиваемых кластеров генов. Доказано, что сочетание стратегий ненаправленной активации с анализом отпечатков пальцев метаболитов позволяет достичь значительных результатов в поиске вторичных метаболитов.