Science：利用新开发的ACTIMOT技术加快从细菌中发现天然产物

微生物产生多种天然产物，可作为活性成分用于治疗感染或癌症等疾病。这些分子的蓝图可以在微生物的基因中找到，但在实验室条件下通常保持不活跃。

如今，在一项新的研究中，来自萨尔州亥姆霍兹药物研究所和德国感染研究中心的研究人员开发了一种遗传方法，该方法利用天然细菌机制转移遗传物质，并将其用于生产新的活性成分。相关研究结果发表在2024年12月13日的Science期刊上，论文标题为“Autologous DNA mobilization and multiplication expedite natural products discovery from bacteria”。

与人类相比，细菌具有相互交换遗传物质的显著能力。一个具有深远影响的著名例子是细菌病原体之间抗生素抗性基因的转移。这种基因转移使它们能够快速适应不同的环境条件，是抗生素耐药性传播的主要驱动力。

在这项新的研究中，这些作者利用这一自然原理扩增和分离细菌中新的生物活性天然产物的遗传蓝图，即生物合成基因簇（biosynthetic gene clusters）。他们的创新方法称为“ACTIMOT（Advanced Cas9-mediaTed In vivo MObilization and mulTiplication of BGCs, 先进的Cas9介导的BGCs体内稳定化和扩展）”，可以直接在天然细菌中生产生物合成基因簇中编码的天然产物，也可以将它们转移到更合适的微生物生产菌株中，在那里生产新的分子。

ACTIMOT利用了称为“基因剪刀”的CRISPR-Cas9技术，因此可以对细菌的遗传物质进行精确干预。由于生物合成基因簇在实验室条件下通常不太活跃，因此使用ACTIMOT从基因组中提取它们，并将其插入一个可移动的遗传单元中，然后由细菌本身进行扩增。

所有这些步骤都是利用也允许细菌在彼此之间转移抗性基因的分子机制进行的。在许多情况下，这些所谓的质粒上的基因簇的扩增已足以产生编码的天然产物。如果这不成功，形成的质粒可以很容易地转移到另一种生产菌株中，以生产编码的天然产物。这些作者在这项研究中提供了这两种方法的成功例子。

ACTIMOT有助于探索细菌中潜在的生物合成潜力

论文共同通讯作者、萨尔州亥姆霍兹药物研究所初级研究小组组长Chengzhang Fu说，“由于各种原因，许多生物合成基因簇在实验室条件下仍然受到抑制，目前揭示它们编码的天然产物的努力只解决了其中有限的一部分。我们的方法模拟了天然细菌基因转移过程，直接释放和扩增天然细菌细胞内的整个生物合成基因簇，从而获得以前隐藏的天然产物。与现有方法相比，使用这项技术，我们可以更快、更容易地获取细菌的生物合成潜力。”

这些作者证实ACTIMOT确实可以带来新的发现：在研究过程中，他们从四种以前未知的天然产物类别中发现了39种新的天然产物。这些发现使得他们相信，ACTIMOT可以显著加速新药候选物的发现。

论文共同通讯作者、萨尔州亥姆霍兹药物研究所科学主任Rolf Müller说，“微生物为我们提供了生产新化学物的巨大潜力，我们可以利用这些物质开发急需的活性成分。到目前为止，这种微生物宝藏的大部分仍然对我们隐藏着。ACTIMOT将帮助我们进一步开发细菌的生物合成潜力，从而显著推进新活性剂的开发。”

在这项新的研究中，ACTIMOT已用于链霉菌属的细菌。然而，这些作者已计划将其扩展到其他具有生产未知天然产物高潜力的细菌物种。

除此之外，ACTIMOT还具有在其他各个领域应用的潜力，包括大规模生产高价值的天然产物、探索未知的基因途径以及确定天然产物优化的起点。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Feng Xie et al. Autologous DNA mobilization and multiplication expedite natural products discovery from bacteria. Science, 2024, doi:10.1126/science.abq7333.