Verborgene Gene könnten für neue Antibiotika erschlossen werden

Silents sind möglicherweise Gold wert bei der Suche nach Antibiotika, um die anhaltende Resistenzkrise bei der Behandlung von Krankheiten zu verlangsamen.

Biowissenschaftler der Rice University haben neuartige Ein- und Ausschalter entwickelt, um die „stummen“ Gene in einem Bakterienstamm zu kontrollieren. Ihre Strategie könnte die ständige Suche nach neuen Antibiotika vorantreiben.

Die Forscher passten CRISPR-Werkzeuge an, um die Expression von Genen in Streptomyces-Bakterien zu kontrollieren, die in der Natur nur bei Bedarf exprimiert werden. Bisher war der Zugang zu diesen Genen für synthetische Biologen eine Herausforderung.

„Als die Labore damit begannen, die Genome dieser Organismen zu sequenzieren, von denen bekannt war, dass sie ein oder wenige Antibiotika produzieren, stellten wir fest, dass die für die Produktion von Antibiotika und anderen interessierenden Molekülen verantwortlichen Wege viel häufiger sind als bisher angenommen“, sagte James Chappell , ein Assistenzprofessor für Biowissenschaften, dessen Labor Bakterien und Wege untersucht, sie zu manipulieren.

„Jeder Streptomyces-Stamm soll nun im Durchschnitt bis zu 40 verschiedene interessierende Moleküle, einschließlich Antibiotika, produzieren können“, sagte er.

Die von Chappell und der Doktorandin Andrea Ameruoso geleitete Arbeit könnte es Laboren ermöglichen, schnell Bibliotheken möglicher Antibiotika zu entwickeln, die auf Krankheitserreger getestet werden können. Bezeichnenderweise sagten sie, dass CRISPR-Cas9 zwar verwendet wurde, um eine Plattform zur Aktivierung von Genen in Organismen wie Escherichia coli zu schaffen, dies jedoch das erste Mal ist, dass es auf Streptomyces angewendet wird.

Ihre Studie erscheint in Nukleinsäureforschung.

„Bakterien wie Streptomyces haben sich so entwickelt, dass sie Antibiotika nur dann produzieren, wenn sie es brauchen, in natürlichen Umgebungen wie dem Boden“, erklärte Chappell. „Wenn wir sie im Labor züchten, ist es eine künstliche Umgebung und ganz anders als sie natürlich wachsen, also werden Gensätze zum Schweigen gebracht.

„Sie sind eine Art genetische dunkle Materie“, sagte er. „Wir können die Chemikalien, die sie exprimieren, nicht isolieren, um einen funktionellen Screen durchzuführen.“

Die neue Strategie des Labors eliminiert die zeitaufwändige Aufgabe, ihre Proof-of-Concept-Bakterien, S. venezuelae, die Quelle des weit verbreiteten Antibiotikums Chloramphenicol, potenziellen Auslösern für die Genexpression auszusetzen. „Andreas Technologie fügt synthetische Regulatoren in die Zelle ein, um die Expression dieser Signalwege künstlich zu stimulieren oder zu unterdrücken“, sagte Chappell.

„Jetzt brauchen wir nur noch ein Protein und ein kleines Stück RNA und können überall hingehen, wo wir wollen, um ein bestimmtes Ziel direkt zu unterdrücken oder zu aktivieren“, fügte Ameruoso hinzu.

Das Aufkommen der CRISPR-Technologie, die die Mechanismen des bakteriellen Immunsystems anpasst, um spezifische Gene entlang eines DNA-Strangs zu lokalisieren, vereinfachte den Zugang zu den zuvor verborgenen Genclustern, sagte er.

„Streptomyces ist eine Bakteriengattung, die bis zu 500 Arten umfasst, und jede Art kann zwischen 20 und 40 dieser Gencluster haben, die in der Lage sind, Antibiotika oder andere interessante Moleküle zu produzieren“, sagte Ameruoso. „Sobald wir also einen Weg gefunden haben, unsere Technologie zu vergrößern, kann sie unglaublich leistungsfähig sein.“

Chappell sagte, es sei eine einfache Sache, CRISPR so zu gestalten, dass es an verschiedene DNA-Sequenzen bindet. „Wir nutzen das zur Kontrolle der Genexpression aus“, sagte er. „Wenn wir dies bei einer Reihe verschiedener Arten auf einer Reihe verschiedener Wege tun wollen, sollte dies theoretisch möglich sein. Daher legt dieses Papier den Grundstein für einen neuen Ansatz.“

Ameruoso sagte, er arbeite an einer Fluoreszenztechnik, um die Aktivierung von Clustern in Echtzeit zu beobachten. „Die größte Herausforderung besteht darin, dass die Beobachtung der Tiefen der Aktivierung eines Clusters von der Reinigung des Moleküls aus den von uns erzeugten Extrakten abhängt“, sagte er. „Das ist ein Prozess mit geringem Durchsatz, der viel Arbeit erfordert. Wir wollen einen Reporter entwickeln, der ein Fluoreszenzsignal beobachtet, wenn ein Signalweg aktiviert wird.“

Die Forscher stellten fest, dass das Verfahren zur Herstellung von Molekülen für Antimykotika und Antikrebsmittel oder für die Landwirtschaft verwendet werden könnte. „Wir konzentrieren uns auf Antibiotika, weil wir irgendwann in der Geschichte beobachtet haben, dass sie Mikroben abtöten“, sagte Chappell. „Aber das ist nicht unbedingt das, wofür sie entwickelt wurden, denn sie werden auch häufig als Kommunikationssignale zwischen Zellen verwendet. Es gibt also viele potenzielle Anwendungen.“

Er sagte, die Studie zeige einen wichtigen neuen Ansatz zur Aktivierung stiller Signalwege. „Die Vision für die nächste Generation der Arbeit ist es, groß rauszukommen“, sagte er. „Wir haben gezeigt, dass es auf einem einzigen stillen Weg funktioniert. Jetzt machen wir es auf den 40 Wegen in dieser einen Spezies und dann auf Tausenden von Mikroben.

„Die Stärke von CRISPR-Cas9 liegt darin, dass es dafür wirklich skalierbar ist“, sagte Chappell.