土壤微生物产生的化学物质有望成为药物和研究工具

时间:2019-12-20 12:33 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

土壤微生物产生的化学物质有望成为药物和研究工具

常用药物和研究工具的分子结构都来自微生物。资料来源:多伦多大学

布恩(Charles Boone)第一次踏上日本是在1983年,当时他刚从大学毕业。当时,他与当地一个家庭一起住在东京郊外千叶县的一个稻田里。在那里,他爱上了日本的许多东西,尤其是日本料理,它的味道很大程度上要归功于发酵的微生物。

多年后,这些微生物将布恩吸引回日本,尽管原因不同。

Boone是Donnelly细胞和生物分子研究中心的分子遗传学教授,他最著名的研究揭示了数千个基因如何协调以维持基本的细胞过程。但他也想找到新的药物,并认为像细菌一样的微生物可能是最好的地方。

“我们今天使用的很多药物都来自微生物,”Boone说。“还有巨大的未开发潜力。”

在过去的十年里,Boone一直在与RIKEN可持续资源科学中心的Minoru Yoshida和Hiroyuki Osada教授合作,寻找新的方法

化合物

来自具有研究工具和药物潜力的微生物。

另一位来自唐纳利大学的研究员安德鲁·弗雷泽(Andrew Fraser)教授也在与理化学研究所的团队合作,寻找对抗寄生虫的新药。

日本理研中心坐落在东京郊外的一个研究园区内,周围环绕着樱树,这里汇集了世界上最大的天然化合物——约4万种化学物质和其他衍生物,主要由土壤微生物和植物产生,还有一些合成化合物。

布恩说:“理研所的产品很特别,因为它包含了很多纯天然的产品。”“这使得研究这些分子如何作用于活细胞变得更加容易。”

然而,Osada的团队在过去的15年里收集到的绝大多数化合物的医学潜力仍有待探索。

“我们仍然不知道为什么微生物会产生这些化合物,”吉田说。

可能是微生物使用这些化学物质作为对付其他微生物的武器,或者作为交流工具,因为它们中的大多数似乎是无毒的。无论制造它们背后的原因是什么,研究人员希望利用这种化学反应来开发新的分子工具和药物。

日本拥有如此丰富的天然化合物资源并非偶然,因为它源于日本在食品和饮料生产中利用微生物的悠久传统。以米酒清酒为例,它涉及到一种复杂的丝状真菌,将纯大米转化为合适的碳源,用于酵母细胞发酵。

这种微生物技术让日本科学家在20世纪下半叶发现了100多种新的抗生素,以及抗寄生虫的抗菌素,这一发现在2015年获得了诺贝尔奖。

“自然药物应用程序来使用食品发酵微生物,”吉田说,1990年发现的trichostatin,一种药物,干扰细胞内DNA是如何包装的,从链霉菌属的细菌,改变了表观遗传学的研究,导致类似的化合物,对病人进行治疗癌症和炎症。

天然药物

根据最近的一份报告,大多数被批准的药物来自自然,或者是受自然产物启发的合成分子。抗感染抗生素和使移植药物成为可能的免疫抑制剂环孢素只是一些例子。

吉田说,天然产物是很好的药物,因为它们经过进化作用于活细胞。与纯合成药物相比,它们往往是体积较大、结构多样的分子,更具体地与细胞受体结合,这意味着它们可以低剂量使用,引发的副作用也更少。

尽管他们有明显的潜力,制药行业已经把它的重点从

天然化合物

,也很难进行工业规模的提纯和合成,也很难在大量合成化学品中寻找候选药物。

但Boone认为这可能是个错误。

Boone说:“考虑到我们今天使用的大多数药物都来自大自然,回避天然产物似乎很荒谬。”“我们的研究表明,有很多化合物可以用于研究和医学。”

Boone、Yoshida和Osada的团队在2017年的一项研究中发现,RIKEN收集的化合物在医学上比研究中广泛使用的几种合成化学物质储量更有希望。他们利用由多纳利中心布恩实验室开发的基于酵母细胞的化学基因组学平台的大规模应用,确定了数千种化合物的分子作用机制。酵母细胞中的许多内务处理过程也在人类细胞中发现,并与多种疾病有关,从癌症到阿尔茨海默病。

但是还有更多的化合物有待测试。

最近,博士后研究员希娜·李(Sheena Li)在布恩与理研所的实验室工作,他与布恩在那里有一项联合任命,并已搬到唐纳利中心

酵母细胞

.因此,这种化合物有望用于治疗耐药真菌感染,这种感染正成为严重的全球健康威胁。

李说,考虑到所有的数据,他们已经确定了大约50种具有医疗潜力的产品。下一步是检查这些化学物质在人体细胞中的作用是否相同。

“我们现在正试图了解这些化合物在人体细胞中起什么作用,”李说。“你花了这么多时间研究酵母,现在能把它应用到人体系统中,这是一大进步。”这可能会产生真正的影响。

抗寄生虫药物

与布恩和李不同,安迪·弗雷泽对其中的化合物不感兴趣

人类细胞

——恰恰相反。

“我们想找到治疗肠寄生虫的新药,”弗雷泽说。“但我们不想伤害感染了这些寄生虫的人类。”

根据世界卫生组织的数据,全球约有10亿人感染肠蠕虫,其中8.8亿是儿童。随着寄生虫对包括伊维菌素在内的一线治疗产生抗药性,

新药

迫切需要。

由于伊维菌素是在土壤微生物中发现的,弗雷泽认为未来很有可能在理研所发现更多的治疗方法。

他的团队最近开发了一种方法来筛选针对一种只存在于寄生虫体内的代谢异常类型的药物。这种新陈代谢不需要氧气来产生能量,允许寄生虫在宿主体内存活很长一段时间。

由于寄生虫很难在实验室里培养,弗雷泽的团队找到了一种方法,诱使无害的蠕虫和主要研究工具秀丽隐杆线虫利用不依赖氧气的新陈代谢,并寻找影响它的药物。

任何

药物

候选人将只针对蠕虫,而不会对人类造成伤害,因为人类没有能力像寄生虫一样制造能量。

对弗雷泽来说,下一步是看看理研所的宝库中是否有对这些目标起作用的化合物。

弗雷泽说:“理研所收集的天然产品就像一个令人难以置信的复杂工具集合——我们面临的挑战是找出每种化合物影响的靶点,以及如何利用它们杀死病原体,增进健康。”

更多信息:

微生物生物技术

DOI: 10.1111 / 1751 - 7915.13351

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