Forskere kaster lys over, hvordan et dødeligt patogen fremstiller sine kemikalier

Efterforskere ved University of Kansas har spillet en nøglerolle i at dechifrere en hidtil uidentificeret klynge af gener, der er ansvarlige for at producere sartorypyroner, et kemikalie fremstillet af svampepatogenet Aspergillus fumigatus, hvis familie forårsager Aspergillose hos mennesker.

Deres resultater blev for nylig offentliggjort i Chemical Science .

Aspergillose truer hvert år mere end 300.000 menneskers liv. En bedre forståelse af generne, der er ansvarlige for kemikalierne - eller "sekundære metabolitter" - produceret af A. fumigatus og dets svampefætre kunne hjælpe forskere med at udvikle mere effektive antifungale lægemidler.

"Svampeinfektioner udgør en betydelig udfordring og har fået øget opmærksomhed i medierne, herunder videnskabelige rapporter," sagde den tilsvarende forfatter Berl Oakley, Irving S. Johnsons udmærkede professor i molekylærbiologi ved KU.

"Blandt de problematiske organismer er en svamp kendt som Aspergillus fumigatus. Størstedelen af ​​individer, der er ramt af alvorlige patogene svampeinfektioner, falder ind under kategorien immunkompromitterede, såsom individer, der gennemgår kræftbehandling eller dem, der bor i Afrika syd for Sahara, hvor et betydeligt antal mennesker, der er ramt af AIDS, får ikke medicin."

Oakley og hans medforfattere var interesserede i, hvordan Aspergillus fumigatus producerede sekundære metabolitter, som ofte anses for deres medicinske potentiale – selvom de kan være svære at studere i laboratoriet – fordi de er så biologisk aktive.

"Undersøgelser har identificeret adskillige genklynger i svampe, der er ansvarlige for at producere disse metabolitter," sagde han.

"Men disse forbindelser produceres typisk ikke under standard laboratorieforhold, hvilket efterlader mange af deres egenskaber ukendte. Selvom disse metabolitter ikke er afgørende for en organismes vækst, tilbyder de selektive fordele. De kan beskytte mod faktorer som UV-stråling og hæmme konkurrerende arter. Nogle af disse sekundære metabolitter udviser bioaktiviteter, der er gavnlige til forskellige formål. Andre bidrager til patogene virkninger, herunder undertrykkelse af immunsystemet."

For at isolere og analysere generne i Aspergillus fumigatus, der udtrykker sekundære metabolitter, overførte holdet en gruppe af disse gener - kaldet en biosyntetisk genklynge (BGC) - til en beslægtet stamme af Aspergillus, A. nidulans, og aktiverede dem derefter. A. nidulans er blevet modificeret af forskere til at være en model svampeart for denne teknik, kaldet "heterologt udtryk."

"Vi kan derefter observere de forbindelser, de producerer i laboratoriet," sagde Oakley. "I et tilfælde afslørede en genklynge syntesen af ​​sartorypyroner, en gruppe af forbindelser med begrænset forudgående viden om deres produktion."

Forskerholdet navngav den genklynge, der er ansvarlig for disse forbindelser, "spion BGC" (spion, der står for sartorypyroner). De analyserede forbindelserne produceret af spion BGC ved hjælp af højopløsnings elektrospray ionisering massespektrometri, kernemagnetisk resonans og mikrokrystal elektron diffraktion (MicroED) for at identificere 12 kemiske produkter fra spion BGC.

Oakley ledede arbejdet med mangeårig samarbejdspartner og tilsvarende forfatter Clay C.C. Wang fra University of Southern California. På KU foretog Oakley undersøgelsen sammen med C. Elizabeth Oakley og ph.d.-studerende Cory Jenkinson. Andre medforfattere var Shu-Yi Lin og Paul Seidler fra USC; Yi-Ming Chiang fra Taipei Medical University; Ching-Kuo Lee, Christopher Jones og Hosea Nelson fra California Institute of Technology; og Richard Todd fra Kansas State University

De rapporterer, at syv af forbindelserne ikke var blevet isoleret tidligere.

"Spion BGC består af seks sammenhængende gener involveret i biosyntesen af ​​sartorypyronerne," rapporterer de. "Vi var i stand til at foreslå en biosyntesevej for denne familie af forbindelser. Vores tilgang med at refaktorere hele genklyngen i det dereplikerede A. nidulans-værtssystem giver os en ligetil måde at dissekere biosyntesevejen på."

Oakley sagde, at den samme teknik kunne føre til flere gennembrud i forståelsen af ​​A. fumigatus og andre svampepatogener. Resultaterne kan føre til nye behandlinger for svampeinfektion samt miljøvenlig industriel anvendelse. For eksempel brugte en af ​​Oakleys andre forskningslinjer genetisk modificerede A. nidulans til at omdanne havplastik til råmaterialer til den farmaceutiske industri.

Han sagde, at det nuværende papir afspejler et proof-of-princip.

"Vi vil gerne udtrykke de resterende sekundære metabolitgenklynger, så vi ved, hvad hver enkelt laver," sagde han. "Vi ved allerede, hvad omkring 15 af dem laver. Vi ved, at det er et alvorligt patogen, og vi kender nogle af de sekundære metabolitter, der bidrager til patogenesen. Men vi kender ikke alle de sekundære metabolitgenklynger. Hvis vi regner ud ud af dem, så kan forskere bruge den information terapeutisk til at forstå infektionsmekanismerne og finde ud af måder at begrænse infektion på."

Oakley advarede dog om, at den økonomiske realitet ved fremstilling af svampedræbende medicin kunne hæmme den hurtige udvikling af nye lægemidler.

"Vi har brug for flere antibiotika og flere svampedræbende midler," sagde han. "Men de er ikke rentable. Et rentabelt stof er noget, de kan give til folk i 30 år, ikke noget, du giver for en uge, der løser problemet. Så der er ikke meget økonomisk incitament. Du kan finde på det bedste antibiotikum i verden; de kommer til at lægge det på hylden, fordi det vil være den sidste udvej, og de vil kun bruge det, når de andre ikke virker."

Flere oplysninger: Shu-Yi Lin et al., En heterolog ekspressionsplatform i Aspergillus nidulans til belysning af kryptiske sekundære metabolisme biosyntetiske genklynger:opdagelse af Aspergillus fumigatus sartorypyron biosyntesevejen, Chemical Science (2023). DOI:10.1039/D3SC02226A

Journaloplysninger: Kemisk videnskab

Leveret af University of Kansas