Genom att locka bort repressorerna som dämpar outtryckt, tysta gener i Streptomyces-bakterier, Forskare vid University of Illinois har låst upp flera stora genkluster för nya naturliga produkter, enligt en studie publicerad i tidskriften Naturens kemiska biologi .

Eftersom många antibiotika, anti-cancermedel och andra läkemedel har härletts från gener som lätt uttrycks i Streptomyces, forskarna hoppas att upphävande av gener som inte tidigare har uttryckts i labbet kommer att ge ytterligare kandidater i sökandet efter nya antimikrobiella läkemedel, säger studieledaren och professorn i kemi- och biomolekylärteknik Huimin Zhao.

"Det finns så många oupptäckta naturliga produkter som ligger outtryckta i genomen. Vi tänker på dem som cellens mörka materia, ", sa Zhao. "Antimikrobiell resistens har blivit en global utmaning, så uppenbarligen finns det ett akut behov av verktyg för att hjälpa upptäckten av nya naturliga produkter. I det här arbetet, vi hittade nya föreningar genom att aktivera tysta genkluster som inte har utforskats tidigare."

Forskarna har tidigare demonstrerat en teknik för att aktivera små tysta genkluster med hjälp av CRISPR-teknik. Dock, stora tysta genkluster har varit svåra att stänga av. Dessa större gener är av stort intresse för Zhaos grupp, eftersom ett antal av dem har sekvenser som liknar regioner som kodar för befintliga klasser av antibiotika, såsom tetracyklin.

För att låsa upp de stora genklustren av största intresse, Zhaos grupp skapade kloner av DNA-fragmenten de ville uttrycka och injicerade dem i bakterierna i hopp om att locka bort repressormolekylerna som förhindrade genuttryck. De kallade dessa kloner för transkriptionsfaktor lockbeten.

"Andra har använt denna liknande typ av lockbete för terapeutiska tillämpningar i däggdjursceller, men vi visar här för första gången att det kan användas för läkemedelsupptäckt genom att aktivera tysta gener i bakterier, sa Zhao, som är knuten till Carle Illinois College of Medicine, Carl R. Woese Institute for Genomic Biology och Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation i Illinois.

För att bevisa att molekylerna de kodade för uttrycktes, forskare testade lockbetsmetoden först på två kända genkluster som syntetiserar naturliga produkter. Nästa, de skapade lockbeten för åtta tysta genkluster som tidigare hade varit outforskade. I bakterier som injiceras med lockbetena, de riktade tysta generna uttrycktes och forskarna skördade nya produkter.

"Vi såg att metoden fungerar bra för dessa stora kluster som är svåra att inrikta sig på med andra metoder, ", sade Zhao. "Det har också fördelen att det inte stör genomet; det är bara att dra bort repressorerna. Sedan uttrycks generna naturligt från det naturliga DNA:t."

I jakten på drogkandidater, varje produkt måste isoleras och sedan studeras för att avgöra vad den gör. Av de åtta nya molekyler som produceras, forskarna renade och bestämde strukturen hos två molekyler, och beskrev en i detalj i studien - en ny typ av oxazol, en klass av molekyler som ofta används i droger.

Forskarna planerar bredvid att karakterisera resten av de åtta föreningarna och kör olika analyser för att ta reda på om de har något antimikrobiellt medel, anti-svamp, anti-cancer eller andra biologiska aktiviteter.

Zhaos grupp planerar också att tillämpa lockbetetekniken för att utforska mer tysta biosyntetiska genkluster av intresse i Streptomyces och i andra bakterier och svampar för att hitta fler oupptäckta naturliga produkter. Andra forskargrupper är välkomna att använda tekniken för genkluster som de utforskar, sa Zhao.

"Principen är densamma, antar att genuttryck undertrycks av transkriptionsfaktorer och vi behöver bara frigöra uttrycket genom att använda lockbete DNA-fragment, " sa Zhao.