综述 | CURR OPIN MICROBIOL：通过微生物相互作用发现抗生素
编译：I AM Spring，编辑：小菌菌、江舜尧。
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微生物产生具有生物活性的天然产物，其中一些可用作抗生素和其他药物。由于病原菌的多样性及其耐药机制，对新型抗生素的需求很大。抗生素被发现是一种天然代谢物，能使微生物抑制竞争对手的生长。尽管发现抗生素的速度已经大幅放缓，但识别抗生素的新方法显示出了未来的发展前景。在许多现代研究方法中，共同培养不同物种并了解它们相互作用的分子基础为抗生素的发现打开了新的窗口。本文回顾几个例子，以说明共同培养作为一种方法对生物学代谢是如何产生新的见解。了解特定代谢物的不同功能，结合使用创新和先进的分析工具，表明微生物相互作用的研究将有助于发现新的抗生素和其他天然产物。
论文ID
原名：Antibiotic discovery through microbial interactions
译名：通过微生物相互作用发现抗生素
期刊：Current Opinion in Microbiology
IF：6.916
发表时间：2019.10
通讯作者：Paul D Straight
通讯作者单位：德州农工大学
主要内容
天然产物是产生生物的特殊代谢物。与生长相关的主要代谢功能相反，专门的代谢物支持生物体特有的环境或生理功能。所述的特殊代谢物的功能包括信号、铁载体、抗生素和其他有用的药物。在所有具有治疗活性的抗生素中，约90%是从微生物中发现的。微生物基因组水平的研究揭示了丰富多样的生物合成基因簇(BGCs)用于专门代谢物的生物合成。然而，绝大多数的代谢物是未知的，由于其功能模糊或缺乏在实验室培养的产物而逃避检测。除了新的BGCs，对以前未培养的物种的检测和分离进一步扩大了发现多样化的代谢物的潜力。鉴于这些发现，该领域面临的重大挑战是如何在众多的隐藏分子中发现新的天然产物。
微生物具有感知和响应各种刺激的机制，如非生物环境提示(如pH、温度、光照、营养和氧化应激)，以及生物应激(如细菌素、抗生素、铁磷)，它们是由邻近生物的新陈代谢引起的（图1）。反应机制是多种多样的，包括生物体之间的相互作用在特定的代谢过程中的变化。共培养是鉴定生物活性代谢物及其相关反应的一种方法。然而，在一个培养基中加入一个或多个额外的物种会增加分离单一活性物质的复杂性和挑战性。此外，观察种间相互作用通常需要基于平板或其他结构的培养模式，这对于传统微生物学和自然产物方法来说是很麻烦的。尽管存在这些挑战，最近对物种间竞争相互作用的研究突出了它们增强获得新代谢物的潜力。这些相互作用的分子基础并不总是很清楚，但有证据表明，要么激活静止的生物合成途径，要么检测生长抑制以外的竞争效应(例如，菌落形态、毒力、生物被膜形态、产孢等的变化揭示了新的候选天然产物。
最近的研究表明，探索微生物物种之间的相互作用可能揭示新的细菌生理学和新的专门代谢物，这将有助于重振抗生素的发现。这篇综述的重点是不同种类细菌之间的相互作用。总结一些活跃的专门代谢物从细菌和真菌的相互作用中发现。我们还将讨论研究微生物相互作用中特异性代谢的创新方法，以发现新的抗生素和扩大微生物特异性代谢的知识优势。
图1 微生物群落作为环境线索、压力和影响特定代谢的信号的来源。
1 菌种间两两互动的抗生素发现
基于相互作用的测定遵循一个指导概念，与单独培养的生物体相反，复杂的相互作用更接近于环境条件。作为一个恰当的例子，一个有机体可以用来调节环境，让另一个有机体产生抗生素。Zuck, Shipley和Newman联合培养的方法类似于通过细菌-真菌相互作用发现青霉素的过程。烟曲霉与琼脂平板上的其他几种微生物共培养，对白链霉菌的抑制作用最为显著。根据这种竞争性表型，这两种生物的混合发酵导致分离出两种新的天然产物（图2a）。作为一个例子，本研究表明，共同培养，创造一个竞争的环境，是一个有用的战略扩大生产的专门代谢物。这些代谢物的具体诱导机制尚未见报道。还有许多其他活性分子是通过细菌-真菌共培养模式发现的（图2a）。这些发现表明，继续使用细菌-真菌相互作用作为发现的途径将产生新的潜在的抗生素。
自然产物的诱导生产也被观察到与细菌物种间的相互作用。链霉菌因其促进天然产物的生产而受到广泛的研究。随着全基因组测序的到来，新的基因组学证据揭示了未开发的BGCs在链霉菌基因组中的嵌入程度。几种新型天然产物，arcyriaflavin E, chojalactones A–C (图 2b), niizalactams A–C,5-alkyl-1,2,3,4-tetrahydroquinolines在链霉菌与肺念珠菌的共培养中鉴定。在某些生物体中，可能需要特定的刺激或竞争对手来激活隐性BGCs。因此，在一些研究中，基于特定代谢物的生态功能，来自相同自然微生物群落的物种被优先作为刺激物(图2b)。这些例子提供了充分的证据，表明在一个单一的培养中混合两个物种可能产生新的代谢物。然而，导致诱导的机制很少被破译，这将使我们对专门新陈代谢的生物学有更深刻的理解。这些相互作用的潜在机制可能会提供新的方法来诱导特定的代谢物并加强后续的发现工作。
图2 从成对的微生物相互作用中鉴定出的活性分子。(a)从细菌-真菌共培养中分离的活性分子的化学结构。(b)代表从细菌种间相互作用中分离出来的分子的化学结构。(c)用于微生物群落持续生长的碳酸脂膜系统(在可渗透膜支撑的琼脂糖塞上)，通过从液体培养基中吸取营养并交换天然产物。
2 协同培养诱导的抗生素代谢产物
随着越来越多的相互作用研究的出现，越来越清楚的是，特化代谢物具有多种多样的未被发现的功能。这些功能超出了抗生物制剂的范围，以人们所不了解的方式促进了产生菌的适应性。例如，来自一个有机体的可扩散的陨石可能刺激附近物种的生理转变。在这一领域的经典研究中，Ueda等人在链霉菌物种中观察到这种现象。通过对枯草芽孢杆菌的复盖作为指示物，他们发现一个链霉菌属诱导一个共培养的孢子形成枯草芽孢杆菌生长抑制区只有在两种菌株接近时才诱导产生抗生素代谢物。这个实验的一个更详细的版本导致了一种新的抗生素的发现。Pischany et al.采用多品种培养产生大量分子以筛选活性。他们的研究使用了transwell平板中9个放线菌的固相培养，这使得在不破坏群落的情况下进行持续的模拟实验。在这个实验中，在transwell中生长在琼脂糖上的细菌从液体介质中吸取营养并交换代谢物，这些代谢物扩散到周围的液体中。混合菌种在transwell中生长后，测试液体培养基对金黄色葡萄球菌平板的抗菌活性（图2c）。一旦观察到抗菌活性，他们就从16s rDNA中取样，以确定混合培养物的物种组成。这种方法简单易行，可应用于许多可栽培的多物种群落，有可能产生新的抗菌或信号化合物。A4可以产生一种新的抗生素——淀粉霉素，它可以靶向脂肪酸生物合成，并在体内外亚微摩尔活性(MIC 30 nM)的测定中杀死金黄色葡萄球菌（图2c）。这些例子表明，比二元化学战争更复杂的相互作用模式反映了微生物群落的动态相互作用。将复杂相互作用的分子基础的知识应用到新发现的工作中，可能会为未知的新的特化代谢物打开大门。
3 特殊代谢物的多种生物学功能
专门的代谢物被期望有益于其生产者的适应性，但在大多数情况下，它们的功能是未知的。一些非抗生素功能的例子说明了这一点。例如，铁载体是一种特殊的代谢物，它螯合环境来源的铁以供细胞吸收。其他来自特殊代谢物的非抗生素活性的例子包括硫代嘌呤肽。硫肽包含大量不同的核糖体合成和翻译后修饰肽(RiPPs)。有些硫肽是抗生素(如thiocillins)和其他是信号分子(如goadsporin)影响细菌的生长。例如，据报道硫西灵会改变其他物种的生长发育，从而导致细菌的产生枯草菌生物膜形成。在我们自己的实验室里，我们发现了抗生素的一些惊人的功能。菌素是由链霉菌产生的抗生素。我们最近报道了线菌素被包装成膜囊并破坏枯草杆菌的膜。这些研究的令人惊讶的结果是，细胞外囊泡的生物发生依赖于线性霉素生物合成，这突出了细胞膜和抗生素生物合成的不可预测的收敛性。这些观察结果表明，抗生素作为一种特殊的代谢产物，其活性可能具有复杂的、意想不到的功能，可以作为发现有用的天然产物的途径。
最近一项对人类相关细菌的研究为开发基于微生物相互作用的治疗传染病的新方法提供了一个令人信服的例子。本研究首先观察到两者之间的负相关关系。人类样本中的金黄色葡萄球菌和芽孢杆菌。进一步的研究表明，益生菌通过抑制群体感应而消灭了金黄色葡萄球菌的定植。值得注意的是，这项研究表明风信子来自于枯草杆菌(B. subtilis)通常以其抗真菌活性而闻名，它阻断了金黄色葡萄球菌的Agr群体感应系统，从而破坏了生物膜的发育和宿主的殖民能力。本研究阐明了在非经典的抗菌模式下，特化代谢影响细菌发病机制的能力。其他来自微生物相互作用的报道也表明，一种解决方法是破坏病原体之间的毒性。另一个例子，Streptococcus mutans和Streptococcus gordonii通常在牙菌斑的逆基中被发现，因为Streptococcus gordonii抑制了Streptococcus mutans中的几个群体感应途径。因此，利用非生长抑制的天然产物作为药物或佐剂可能是一种广泛应用于对抗感染因子的策略。我们所强调的这些例子，集中地指向了令人兴奋和富有成效的下一波发现新天然产物和治疗有问题微生物的新方法的浪潮。
4 新的策略有助于在微生物相互作用中发现专门的代谢物
当我们开发新的基于交互的发现方法时，新工具需要进行更有效的隔离和分析（表1）。历史上，抗菌药的发现利用了可耕种土壤中的微生物，但即使这些努力也只捕获了自然界微生物生物多样性的一小部分。在培养细菌的新进展中，Ling等人使用iCHIP设备从复杂的菌群中分离出以前未培养的细菌。元基因组学方法扩展了细菌基因组作为新的天然产物来源的观点，以前未被研究的分类学组。随着对微生物产生抗生素潜力的认识，先进和创造性的培养方法有助于确定相互作用的活动。例如，微流体技术，一种广泛应用于大规模或高通量筛选的技术，使我们能够在培养过程中对单个或更复杂的相互作用的小细胞集合进行重点研究。Transwell室是一种保持两个或多个物种，甚至一个微生物群落分离的方法，同时允许它们的可扩散代谢物通过膜。出于同样的目的，生物反应器系统为更大规模的培养提供了一种模式。这些培养方法有助于研究不同规模微生物之间的分子和化学相互作用，可能会影响检测到的相互作用模式和可用于分离和进一步研究的代谢物。
许多新的技术创新显示出捕获和识别新抗生素的巨大潜力。例如，代谢转录组监测和其他监测生物合成基因表达的方法可能会加强发现，如orsellinic acid。种高通量的诱导剂筛选(HiTES)方法，将报告基因插入感兴趣的BGC中，为基因表达提供快速读出，从而产生相关的应答分子。成像质谱技术(IMS)使微生物相互作用过程中分子空间分布的可视化成为可能，这有助于对相关的metab- olites的识别，如elaiophylin、生物转化苯那嗪、水解表面活性剂。质谱联网是一种串联质谱比对(MS/MS)数据组织方法，它不仅可以发现与已知分子结构相似的分子(同类型的生物合成途径)，而且还可以发现像retimycin这样的新分子。先进的计算方法，如蛋白质和小分子MALDI生物信息学(IDBac)、基于MS的主成分分析和其他生物化学计量分析，有助于简化其他方面的复杂数据分析，提高识别自然产物的化学形式的效率。
表1 新的策略有助于在微生物相互作用中发现专门的代谢物
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