日期:2018-12-11 来源:本站 供稿:生物资源与安全处 作者:管理员 类别:译文
全身用抗菌药物是人类多发性、感染性疾病不可缺少的一大类治疗药物,具有临床应用广泛、品种繁多的特点。20世纪初,弗莱明发明的青霉素被誉为抗感染神药,挽救了无数人的生命,为医学史上里程碑式的药物。随着中国人口的快速增长,在饮食结构和生态环境变化多因素影响下,抗生素类药物发挥着不可估量的作用。
碳青霉烯类是由吡咯啉5-羧酸盐和丙二酰-CoA合成的,是抗菌谱最广,抗菌活性最强的非典型β-内酰胺抗生素,因其具有对β-内酰胺酶稳定以及毒性低等特点,已经成为治疗严重细菌感染最主要的抗菌药物之一,且碳青霉烯类是抗感染临床用药中最有抵御能力的重要品种,俗称“抗生素的最后一道防线”。但是这类药物研制难度较大、生产工艺复杂,且微生物产量低,因此,通过代谢工程改造菌株高产碳青霉烯类抗生素是重中之重。
图1碳青霉烯生物合成途径
近日,来自荷兰Kavli研究所的科学家们在大肠杆菌中设计了一种简单的碳青霉烯类抗生素,通过增加前体代谢物浓度和确定关键酶的还原辅助因子,使碳青霉烯产量提高了60倍,并通过人工抑制膜合成,稳定了大肠杆菌的代谢,抑制了碳青霉烯类产品的抗菌作用,进一步提高了抗生素的生产效率,且工程菌株为碳青霉烯类衍生物的生物合成提供了一个平台。该研究成果近期已经发表在《Nature Chemical Biology》上。
研究结果表明,大肠杆菌可以作为一种外源平台,用于生物合成杀菌抗生素。增加碳青霉烯前体吡咯啉5-羧酸盐和丙二酰-CoA的浓度可以提高生产率,表明碳水化合物的活性以及碳青霉烯的通量受到前体可用性的限制。增加前体浓度已多次被证明可以改善其他抗生素家族的生物合成,这与通过微生物生物合成途径的通量通常受前体代谢产物的限制的发现是一致的。研究还发现了一种可能减少CarC酶活性的酶,CarC是一种不寻常的酶,具有双重活性,以低催化率而未被广泛使用。CarE的过量表达使碳青霉烯生产力提高了11倍,说明了在生物合成途径中鉴定和过表达还原伴侣对氧化还原酶的重要性。
同时减轻碳青霉烯类药物毒性的方法为在易感宿主中产生抑制生长的化合物提供了一种策略。延迟碳青霉烯生物合成的诱导以允许生物量积累提高了碳青霉烯滴度。定时停止FAS合成,赋予对β-内酰胺抗生素的耐受性,延长碳青霉烯产量并进一步提高滴度。由于FAS阻滞可保护细胞免受β-内酰胺类抗生素的侵害,包括复杂的碳青霉烯类如亚胺培南,这种方法可能对临床相关的碳青霉烯类的产生有效。使用补料分批培养达到高细胞密度,以及定时FAS停滞和持续的营养供给,可使碳青霉烯滴度接近工业相关水平。使用自诱导启动子触发抗生素生产和FAS停止将消除本系统对化学诱导剂的依赖性,这在大规模上是不经济的。用于改善耐受性的其他方法,例如突变碳青霉烯的细胞靶标或表达外排通道,可以进一步将生产力提高转化为增加的滴度。结合工程化碳青霉烯途径,这些方法可以充分利用大肠杆菌作为生产宿主的优势,并使天然和新型碳青霉烯类更接近临床应用。