CRISPR progetta un nuovo percorso per la produzione di antibiotici / CRISPR Engineers a New Path for Antibiotic Production

 CRISPR progetta un nuovo percorso per la produzione di antibiotici / CRISPR Engineers a New Path for Antibiotic Production

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Sono assolutamente necessari nuovi metodi per sviluppare nuovi antibiotici. Ora, i ricercatori hanno sviluppato un modo per manipolare gli enzimi chiave della catena di montaggio nei batteri, utilizzando l'editing genetico CRISPR-Cas9, che potrebbe aprire la strada alla produzione di una nuova generazione di antibiotici complessi. La reingegnerizzazione delle linee di assemblaggio biosintetiche, comprese le sintetasi peptidiche non ribosomiali (NRPS) e gli enzimi megasintasi correlati, può offrire una nuova e potente strada per sviluppare farmaci futuri per combattere la resistenza antimicrobica.

Questo lavoro è pubblicato su Nature Communications nell'articolo " L'editing genetico consente una rapida ingegnerizzazione di complesse linee di assemblaggio di antibiotici. "

"L'emergere di agenti patogeni resistenti agli antibiotici è una delle più grandi minacce che affrontiamo oggi", ha osservato Jason Micklefield, PhD, professore di biologia chimica presso il Manchester Institute of Biotechnology nel Regno Unito. Ha continuato, "L'approccio di modifica genetica che abbiamo sviluppato è un modo molto efficiente e rapido per progettare enzimi complessi della catena di montaggio in grado di produrre nuove strutture antibiotiche con proprietà potenzialmente migliorate.

Il governo del Regno Unito suggerisce che si stima che le infezioni da resistenza antimicrobica (AMR) causino 700.000 morti ogni anno a livello globale e si prevede che saliranno a 10 milioni, con un costo per l'economia globale di 100 trilioni di dollari, entro il 2050. L'AMR minaccia anche molti degli obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite ( SDGs), con 28 milioni in più di persone che potrebbero essere costrette in condizioni di estrema povertà entro il 2050 a meno che l'AMR non venga contenuto.

Il nuovo documento descrive come l'editing genico CRISPR-Cas9 può essere utilizzato per creare nuovi enzimi NRPS che forniscono antibiotici clinicamente importanti. Più specificamente, come l'editing genetico CRISPR-Cas9 può essere sfruttato per progettare rapidamente una delle linee di assemblaggio di megasintasi più complesse in natura: gli enzimi NRPS 2.0 MDa che forniscono l'antibiotico lipopeptide enduracidina.

In questo lavoro, l'editing genico è stato utilizzato per scambiare sottodomini all'interno dell'NRPS, alterando la selettività del substrato, portando a dieci nuove varianti lipopeptidiche con buone rese. Gli enzimi NRPS sono produttori prolifici di antibiotici naturali come la penicillina. Tuttavia, fino ad ora, la manipolazione di questi complessi enzimi per produrre antibiotici nuovi e più efficaci è stata una grande sfida.

I microrganismi nel nostro ambiente, come i batteri che vivono nel suolo, hanno evoluto NRPS che assemblano amminoacidi in peptidi che spesso hanno un'attività antibiotica molto potente. Molti degli antibiotici più importanti dal punto di vista terapeutico, utilizzati oggi nella clinica (penicillina, vancomicina e daptomicina), derivano da questi enzimi NRPS.

Sfortunatamente, continuano ad emergere agenti patogeni che portano resistenza ai farmaci antibiotici esistenti. Una soluzione potrebbe essere quella di creare nuovi antibiotici con proprietà migliorate in grado di eludere i meccanismi di resistenza dei patogeni. Tuttavia, gli antibiotici peptidici non ribosomiali sono strutture molto complesse che sono difficili e costose da produrre con i normali metodi chimici. Per risolvere questo problema, il gruppo di Manchester ha utilizzato l'editing genetico per ingegnerizzare gli enzimi NRPS, scambiando domini che riconoscono diversi amminoacidi, portando a nuove linee di assemblaggio in grado di fornire nuovi prodotti peptidici.

I ricercatori affermano che il processo di modifica genetica potrebbe essere utilizzato per produrre antibiotici migliorati e possibilmente portare allo sviluppo di nuovi trattamenti che aiutano nella lotta contro i patogeni e le malattie resistenti ai farmaci in futuro.

"Ora siamo in grado di utilizzare l'editing genetico per introdurre cambiamenti mirati a complessi enzimi NRPS", ha aggiunto Micklefield, "introducendo precursori di aminoacidi alternativi nelle strutture peptidiche. Siamo ottimisti sul fatto che il nostro nuovo approccio possa portare a nuovi modi di produrre antibiotici migliori, necessari con urgenza per combattere i patogeni emergenti resistenti ai farmaci».

ENGLISH

New methods to develop novel antibiotics are desperately needed. Now, researchers have developed a way to manipulate key assembly line enzymes in bacteria, using CRISPR-Cas9 gene editing, which could pave the way to production of a new generation of complex antibiotics. Re-engineering biosynthetic assembly lines, including nonribosomal peptide synthetases (NRPS) and related megasynthase enzymes, may offer a powerful new route to develop future medicines to combat antimicrobial resistance.

This work is published in Nature Communications in the paper, “Gene editing enables rapid engineering of complex antibiotic assembly lines.”

“The emergence of antibiotic-resistant pathogens is one of the biggest threats we face today,” noted Jason Micklefield, PhD, professor of chemical biology at the Manchester Institute of Biotechnology in the U.K. He continued, “The gene-editing approach we developed is a very efficient and rapid way to engineer complex assembly line enzymes that can produce new antibiotic structures with potentially improved properties.”

The U.K. government suggests that antimicrobial resistance (AMR) infections are estimated to cause 700,000 deaths each year globally and are predicted to rise to 10 million, costing the global economy $100 trillion, by 2050. AMR also threatens many of the UN’s Sustainable Development Goals (SDGs), with an extra 28 million people that could be forced into extreme poverty by 2050 unless AMR is contained.

The new paper describes how CRISPR-Cas9 gene editing can be used to create new NRPS enzymes that deliver clinically important antibiotics. More specifically, how CRISPR-Cas9 gene editing can be exploited to rapidly engineer one of the most complex megasynthase assembly lines in nature—the 2.0 MDa NRPS enzymes that deliver the lipopeptide antibiotic enduracidin.

In this work, gene editing was used to exchange subdomains within the NRPS, altering substrate selectivity, leading to ten new lipopeptide variants in good yields. NRPS enzymes are prolific producers of natural antibiotics such as penicillin. However, up until now, manipulating these complex enzymes to produce new and more effective antibiotics has been a major challenge.

Microorganisms in our environment, such as soil-dwelling bacteria, have evolved NRPS that assemble amino acids into peptides which often have very potent antibiotic activity. Many of the most therapeutically important antibiotics, used in the clinic today (penicillin, vancomycin, and daptomycin), are derived from these NRPS enzymes.

Unfortunately, pathogens continue to emerge that carry resistance to existing antibiotic drugs. One solution could be to create new antibiotics with improved properties that can evade the resistance mechanisms of the pathogens. However, the nonribosomal peptide antibiotics are very complex structures that are difficult and expensive to produce by normal chemical methods. To address this, the Manchester team used gene editing to engineer the NRPS enzymes, swapping domains that recognize different amino acid building, leading to new assembly lines that can deliver new peptide products.

The researchers say that the gene-editing process could be used to produce improved antibiotics and possibly lead to the development of new treatments helping in the fight against drug-resistant pathogens and illnesses in the future.

“We are now able to use gene editing to introduce targeted changes to complex NRPS enzymes,” added Micklefield, “introducing alternative amino acids precursors into peptide structures. We are optimistic that our new approach could lead to new ways of making improved antibiotics which are urgently needed to combat emerging drug-resistant pathogens.”

Da:

https://www.genengnews.com/news/crispr-engineers-a-new-path-for-antibiotic-production/?fbclid=IwAR1jeK9xMy6vO-pmyJzrOwLpA7xMwX757t8Up_VXp1XlxIVfgE9vKPW8sjo