Ett forskningssamarbete har upptäckt ett nytt sätt att snabbt generera en mängd medicinskt betydelsefulla naturprodukter efter att ha upptäckt en banbrytande teknik som förvandlar evolutionens maraton till en sprint.
Den överraskande upptäckten kom när forskargruppen oavsiktligt replikerade en process som bakterier använder för att utveckla sina maskiner för att tillverka naturliga produkter.
Nu laget, som inkluderar forskare vid John Innes Centre, planerar att utnyttja denna process för att generera "bibliotek" av värdefulla föreningar skapade från tekniken som de har kallat Accelerated Evolution.
"I 20 år har vi använt rationell bioteknik för att modifiera de kemiska strukturerna hos kliniskt viktiga naturprodukter - med hjälp av genetik för att göra en ny molekyl i en process som liknar medicinsk kemi - och det var vad vi gjorde när vi snubblade över detta, " sa professor Barrie Wilkinson från John Innes Centre.
"Vi har upptäckt ett helt nytt sätt att göra saker, en som också kommer att lära oss hur man kan förbättra bioingenjörssystem på ett rationellt sätt."
Samarbetet leddes av Isomerase Therapeutics Ltd, och inkluderade University of Cambridge, Pfizer, Roche och DSTL.
Teamet var involverat i labbarbete för att producera nya versioner av rapamycin, en kommersiellt framgångsrik naturlig förening som produceras av bakterier, används för att förhindra avstötning av organtransplantationer och för att behandla vissa cancerformer.
Rapamycin tillhör en medicinskt och jordbruksmässigt viktig klass av föreningar som kallas polyketider. Svampar och bakterier producerar dessa föreningar för att ge dem en överlevnadsfördel, till exempel för att försvara sig mot patogenattacker och säkra resurser i miljön.
Som en del av deras experiment, teamet infogade en temperaturkänslig replikon i värdstammens genom, jordbakterien Streptomyces rapamycinicus.
Men istället för det förväntade resultatet – en ny Streptomyces rapamycinicus-stam som producerar en specifik ny version av rapamycin – isolerade de ett brett utbud av nya stammar som var och en producerade oväntade nya molekyler. Dessa stammar kan modifieras ytterligare vilket leder till hundratals nya, strukturellt olika föreningar.
Teamet tror att genom att infoga replikonen i generna som är ansvariga för att göra rapamycin, de introducerade oavsiktligt en genetisk instabilitet som aktiverade en DNA-reparationsprocess som kallas homolog replikation.
Detta fick värdbakterierna att "spotta" ut replikonen från genomet, orsakar en omarrangering av de biosyntetiska generna för rapamycin.
Professor Wilkinson förklarar:"Vi tror att denna process härmar och accelererar de processer som är vanliga under naturlig polyketidevolution."
Genom att skapa en utvecklingsplattform för utveckling av läkemedel för att utnyttja Accelerated Evolution-plattformen, teamet tror att det är i början av en ny tid när det gäller upptäckt av naturliga läkemedel.
Dr Matthew Gregory, en motsvarande författare till tidningen och VD för Isomerase Therapeutics Ltd, sade:"Det arbete som beskrivs i denna artikel har viktiga konsekvenser för naturprodukter och syntetisk biologi i allmänhet."
Upptäckten beskrivs i tidskriften Naturkommunikation i en artikel som heter "Mångfaldsorienterad biosyntes via accelererad evolution av modulära genkluster."
