2021-12-08

Nat Comm | CRISPR为抗生素生产开辟新途径

原创 图灵基因 图灵基因 2021-12-08 15:35

收录于话题#前沿分子生物学技术

迫切需要开发新型抗生素的新方法。现在，研究人员已经开发出一种利用CRISPR-Cas9基因编辑操作细菌中的关键装配线酶的方法，这可能为新一代复合抗生素的生产铺平道路。重新设计生物合成装配线，包括非核糖体肽合成酶（NRPS）和相关的巨合酶，可能为开发未来抗耐药性药物提供一条强有力的新途径。

这项工作发表在《Nature Communications》上的一篇题为“Gene editing enables rapid engineering of complex antibiotic assembly lines”的论文中。

“耐药病原体的出现是我们今天面临的最大威胁之一。”英国曼彻斯特生物技术研究所的化学生物学教授Jason Micklefield博士指出，“我们开发的基因编辑方法是一种非常有效和快速的方法，可以设计复杂的流水线酶，从而产生具有潜在改进性质的新抗生素结构。”

英国政府表示，抗菌素耐药性（AMR）每年在全球造成700000人死亡，预计到2050年将增加到1000万，使全球经济损失100万亿美元。AMR 还威胁到联合国的许多可持续发展目标（SDG），如果AMR得不到遏制，到2050年，将有2800万人被迫陷入极端贫困。

这篇新论文描述了如何利用CRISPR-Cas9基因编辑来创建新的NRPS酶，从而提供临床上重要的抗生素。更具体地说，如何利用CRISPR-Cas9基因编辑来快速设计自然界中最复杂的巨合酶装配线之一——2.0 MDa NRPS酶，该酶可提供脂肽类抗生素enduracidin。

在这项工作中，基因编辑被用于交换NRP内的子域，改变底物选择性，从而以良好的产量产生十种新的脂肽变体。NRPS 酶是青霉素等天然抗生素的多产生产者。然而，到目前为止，操纵这些复杂的酶来生产新的、更有效的抗生素一直是一个重大挑战。

我们环境中的微生物，如土壤细菌，已经进化出NRPS，这些NRPS将氨基酸组装成肽，这些肽通常具有非常有效的抗生素活性。目前临床上使用的许多最重要的抗生素（青霉素、万古霉素和达托霉素）都来源于这些NRPS酶。

不幸的是，对现有抗生素药物具有耐药性的病原体不断出现。一个解决办法是创造新的抗生素，其性能可以提高，从而可以规避病原体的耐药机制。然而，非核糖体肽抗生素的结构非常复杂，很难用常规的化学方法生产，而且价格昂贵。为了解决这个问题，曼彻斯特团队利用基因编辑技术来设计NRPS酶，交换识别不同氨基酸构建的域，从而开发出可以生产新肽产品的新装配线。

研究人员表示，基因编辑过程可用于生产改进的抗生素，并可能导致开发新的治疗方法，以帮助在未来对抗耐药病原体和疾病。

“我们现在能够利用基因编辑对复杂的NRPS酶进行有针对性的改变。”研究人员补充道，“将替代氨基酸前体引入肽结构中。我们乐观地认为，我们的新方法可能会带来制造对抗新出现的耐药病原体急需的改良抗生素的新方法。”