Utredare vid University of Kansas har spelat en nyckelroll i att dechiffrera ett tidigare oidentifierat kluster av gener som är ansvariga för att producera sartorypyroner, en kemikalie tillverkad av svamppatogenen Aspergillus fumigatus, vars familj orsakar Aspergillos hos människor.

Deras resultat publicerades nyligen i Chemical Science .

Aspergillos hotar mer än 300 000 människors liv varje år. En bättre förståelse för generna som är ansvariga för kemikalierna – eller "sekundära metaboliter" – som produceras av A. fumigatus och dess svampkusiner kan hjälpa forskare att utveckla effektivare antimykotika.

"Svampinfektioner utgör en betydande utmaning och har fått ökad uppmärksamhet i media, inklusive vetenskapliga rapporter", säger motsvarande författare Berl Oakley, Irving S. Johnson Distinguished Professor of Molecular Biology vid KU.

"Bland de problematiska organismerna finns en svamp som kallas Aspergillus fumigatus. Majoriteten av individer som drabbats av allvarliga patogena svampinfektioner faller i kategorin immunförsvagade, såsom individer som genomgår cancerbehandling eller de som bor i Afrika söder om Sahara, där ett betydande antal människor som är drabbade av AIDS får inte medicin."

Oakley och hans medförfattare var intresserade av hur Aspergillus fumigatus producerade sekundära metaboliter, som ofta anses för sin medicinska potential – även om de kan vara svåra att studera i labbet – eftersom de är så biologiskt aktiva.

"Studier har identifierat många genkluster i svampar som är ansvariga för att producera dessa metaboliter," sade han.

"Men dessa föreningar produceras vanligtvis inte under standardlaboratorieförhållanden, vilket lämnar många av deras egenskaper okända. Dessa metaboliter, även om de inte är nödvändiga för en organisms tillväxt, erbjuder selektiva fördelar. De kan skydda mot faktorer som UV-strålning och hämma konkurrerande arter. Vissa av dessa sekundära metaboliter uppvisar bioaktiviteter som är fördelaktiga för olika ändamål. Andra bidrar till patogena effekter, inklusive undertryckande av immunsystemet."

För att isolera och analysera generna i Aspergillus fumigatus som uttrycker sekundära metaboliter överförde teamet en grupp av dessa gener – kallat ett biosyntetiskt genkluster (BGC) – till en relaterad stam av Aspergillus, A. nidulans, och aktiverade dem sedan. A. nidulans har modifierats av forskare för att vara en modell av svamparter för denna teknik, kallad "heterologt uttryck."

"Vi kan sedan observera föreningarna de producerar i labbet," sa Oakley. "I ett fall avslöjade ett genkluster syntesen av sartorypyroner, en grupp föreningar med begränsad förkunskap om deras produktion."

Forskargruppen kallade genklustret som är ansvarigt för dessa föreningar till "spion BGC" (spion som står för sartorypyroner). De analyserade föreningarna som producerats av spionen BGC med hjälp av högupplöst elektrosprayjoniseringsmasspektrometri, kärnmagnetisk resonans och mikrokristallelektrondiffraktion (MicroED) för att identifiera 12 kemiska produkter från spion-BGC.

Oakley ledde arbetet med mångårig medarbetare och motsvarande författare Clay C.C. Wang från University of Southern California. Vid KU genomförde Oakley utredningen tillsammans med C. Elizabeth Oakley och doktoranden Cory Jenkinson. Andra medförfattare var Shu-Yi Lin och Paul Seidler från USC; Yi-Ming Chiang från Taipei Medical University; Ching-Kuo Lee, Christopher Jones och Hosea Nelson från California Institute of Technology; och Richard Todd från Kansas State University

De rapporterar att sju av föreningarna inte hade isolerats tidigare.

"Spionen BGC består av sex sammanhängande gener involverade i biosyntesen av sartorypyronerna", rapporterar de. "Vi kunde föreslå en biosyntesväg för denna familj av föreningar. Vårt tillvägagångssätt att omfaktorera hela genklustret i det deeplikerade A. nidulans-värdsystemet ger oss ett enkelt sätt att dissekera biosyntesvägen."

Oakley sa att samma teknik kan leda till fler genombrott för att förstå A. fumigatus och andra svamppatogener. Resultaten kan leda till nya terapier för svampinfektion samt miljövänlig industriell användning. Till exempel använde en av Oakleys andra forskningslinjer genetiskt modifierade A. nidulans för att omvandla havsplast till råmaterial för läkemedelsindustrin.

Han sa att det aktuella dokumentet återspeglar ett principbevis.

"Vi skulle vilja uttrycka de återstående sekundära metabolitgenklustren så att vi vet vad var och en gör," sa han. "Vi vet redan vad ett 15-tal av dem gör. Vi vet att det är en allvarlig patogen, och vi känner till några av de sekundära metaboliterna som bidrar till patogenesen. Men vi känner inte till alla sekundära metabolitgenkluster. Om vi ​​räknar ut dem, så kan forskare använda den informationen terapeutiskt för att förstå infektionsmekanismerna och ta reda på sätt att begränsa infektion."

Oakley varnade dock för att den ekonomiska realiteten med att tillverka svampdödande läkemedel kan hämma den snabba utvecklingen av nya läkemedel.

"Vi behöver mer antibiotika och fler svampdödande medel", sa han. "Men de är inte lönsamma. En lönsam förening är något som de kan ge till människor i 30 år, inte något du ger för en vecka som löser problemet. Så det finns inte så mycket ekonomiskt incitament. Du kan hitta den bästa antibiotikan i världen; de kommer att lägga det på hyllan eftersom det kommer att vara den sista utvägen, och de kommer bara att använda det när de andra inte fungerar."

Mer information: Shu-Yi Lin et al, En heterolog uttrycksplattform i Aspergillus nidulans för klargörande av biosyntetiska genkluster för kryptisk sekundär metabolism:upptäckt av Aspergillus fumigatus sartorypyron biosyntetisk väg, Chemical Science (2023). DOI:10.1039/D3SC02226A

Journalinformation: Kemisk vetenskap

Tillhandahålls av University of Kansas