Science：一種開創(chuàng)性的遺傳方法——利用CRISPR-Cas9技術(shù)，激活細(xì)菌隱藏的藥物潛能

來(lái)源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2024-12-17 16:30:00【大中小】

摘要：研究人員現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種開創(chuàng)性的遺傳方法，利用天然細(xì)菌機(jī)制轉(zhuǎn)移遺傳物質(zhì)，并將其用于生產(chǎn)新的活性成分。

與人類不同，細(xì)菌具有相互交換遺傳物質(zhì)的非凡能力。具有深遠(yuǎn)影響的一個(gè)眾所周知的例子就是細(xì)菌病原體之間抗生素抗性基因的轉(zhuǎn)移。這種基因轉(zhuǎn)移使它們能夠迅速適應(yīng)不同的環(huán)境條件，并且是抗生素耐藥性傳播的主要驅(qū)動(dòng)因素。

HIPS和德國(guó)感染研究中心（DZIF）的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)利用這一自然原理，從細(xì)菌中擴(kuò)增和分離出新的生物活性天然產(chǎn)物的遺傳藍(lán)圖，稱為生物合成基因簇。他們的創(chuàng)新方法被稱為“ACTIMOT”，可以直接在原生細(xì)菌中產(chǎn)生基因簇中編碼的天然產(chǎn)物，也可以將它們轉(zhuǎn)移到更合適的微生物生產(chǎn)菌株中，在那里產(chǎn)生新的分子。HIPS是亥姆霍茲感染研究中心（HZI）與薩爾大學(xué)合作的一個(gè)站點(diǎn)。

圖1 自體DNA動(dòng)員和增殖加速了細(xì)菌天然產(chǎn)物的發(fā)現(xiàn)

ACTIMOT是“Advanced Cas9-mediaTed In vivo MObilization and mulTiplication of BGCs”的縮寫，它利用CRISPR-Cas9技術(shù)，該技術(shù)被稱為“基因剪刀”，因此可以對(duì)細(xì)菌的遺傳物質(zhì)進(jìn)行精確干預(yù)。由于生物合成基因簇在實(shí)驗(yàn)室條件下通常不太活躍，因此使用ACTIMOT將它們從基因組中提取出來(lái)，并插入到可移動(dòng)的遺傳單元中，然后由細(xì)菌本身繁殖。所有這些步驟都是利用分子機(jī)制進(jìn)行的，這種機(jī)制也允許細(xì)菌在彼此之間轉(zhuǎn)移抗性基因。在許多情況下，這些所謂的質(zhì)粒上的基因簇的擴(kuò)增已經(jīng)足以產(chǎn)生編碼的天然產(chǎn)物。如果不成功，形成的質(zhì)粒可以很容易地轉(zhuǎn)移到另一個(gè)生產(chǎn)菌株中，以生產(chǎn)編碼的天然產(chǎn)物。作者在本研究中提供了兩種方法的成功例子。

“由于各種原因，許多生物合成基因簇在實(shí)驗(yàn)室條件下仍然受到抑制，目前揭示它們編碼的天然產(chǎn)物的努力只涉及有限數(shù)量的基因簇，”HIPS初級(jí)研究小組組長(zhǎng)、該研究的最后作者Chengzhang Fu說(shuō)。“我們的方法模仿天然細(xì)菌基因轉(zhuǎn)移過(guò)程，直接釋放和擴(kuò)增天然細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的整個(gè)生物合成基因簇，從而獲得以前隱藏的天然產(chǎn)物。與現(xiàn)有方法相比，使用這項(xiàng)技術(shù)，我們可以更快、更容易地利用細(xì)菌的生物合成潛力。”

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明了ACTIMOT確實(shí)可以帶來(lái)新的發(fā)現(xiàn)：在研究中，研究人員從四種以前未知的天然產(chǎn)物類別中發(fā)現(xiàn)了39種新的天然產(chǎn)物。這些發(fā)現(xiàn)給了團(tuán)隊(duì)信心，ACTIMOT可以顯著加速新候選藥物的發(fā)現(xiàn)。“微生物為我們提供了令人難以置信的生產(chǎn)新化學(xué)物質(zhì)的潛力，我們可以利用這些化學(xué)物質(zhì)，除其他外，開發(fā)急需的活性成分，到目前為止，這種微生物寶藏的很大一部分仍然對(duì)我們隱藏著。ACTIMOT將幫助我們進(jìn)一步開發(fā)細(xì)菌的生物合成潛力，從而顯著推進(jìn)新活性劑的開發(fā)。”Rolf Müller說(shuō)，他是HIPS的部門主管和科學(xué)主任，也是DZIF“新抗生素”研究領(lǐng)域的協(xié)調(diào)員，他也在這項(xiàng)研究中發(fā)揮了主導(dǎo)作用。

圖2 ACTIMOT有助于探索細(xì)菌潛在的生物合成潛力

在目前的研究中，ACTIMOT已被用于鏈霉菌屬的細(xì)菌。然而，作者已經(jīng)計(jì)劃將其擴(kuò)展到其他細(xì)菌物種，這些細(xì)菌物種具有生產(chǎn)未知天然產(chǎn)物的高潛力。除此之外，ACTIMOT還具有在其他領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，包括高價(jià)值天然產(chǎn)物的大規(guī)模生產(chǎn)，未知基因通路的探索以及天然產(chǎn)物優(yōu)化起點(diǎn)的確定。

參考資料

[1] Autologous DNA mobilization and multiplication expedite natural products discovery from bacteria