Discovery of Antibiotics from Soil Microbiomes Using Metagenomics

利用宏基因组学从土壤微生物组中发现抗生素

基本信息

  • 批准号:
    9906905
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 67.8万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-05-01 至 2022-04-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Project summary: Drug-resistant infections kill more than 65,000 people in the United States per year and the identification of new antibiotics capable of combating antibiotic resistant bacterial pathogens is desperately needed. Bacterial natural products have a long proven history of being good lead structures for the development of clinically useful antibiotics but, unfortunately, the discovery of novel natural products from cultured bacteria has dramatically slowed in recent years. During the same time, the advent of cost effective high-throughput sequencing and an increasingly sophisticated understanding of bacterial secondary metabolite biosynthesis have led to two important revelations with respect to the search for new natural products: first, that the biosynthetic potential of most cultured bacteria, as judged by the number of biosynthetic gene clusters observed in sequenced genomes, is far greater than previously estimated; second, that the number of bacterial species in most environments is at least one hundred times greater than the number of species that is readily cultured. These observations indicate that conventional natural product screening approaches, which rely on laboratory culturing of random bacterial strains from the environment, have not come close to realizing the full biosynthetic potential of the earth's microbiome and that a fundamental change in the approach to bacterial natural products discovery is therefore needed. Consequently, my laboratory has sought to develop methods to allow natural product discovery from environmental samples, without the need for strain isolation and cultivation. The approaches I propose to use to harvest small molecules from metagenomic libraries are divided into two general categories: 1) Sequence-based metagenomics, which relies on DNA sequence similarity to identify clones containing a specific gene of interest and 2) Function-based metagenomics, which relies on the random, unbiased screening of individual eDNA clones in phenotypic assays to identify clones producing bioactive metabolites. Using sequence-based approaches we can interrogate metagenomes for novel gene clusters (i.e., new antibiotics), as well as clusters that encode congeners of clinically relevant natural product (i.e., improve the utility of clinically important classes of antibiotics). Our functional screening studies will focus on developing methods for creating metagenomic libraries that are enriched in natural product gene clusters to facilitate more efficient screening for novel antibiotics. For this proposal, we will use our existing pipelines and improved protocols, as they come on-line, to identify novel natural products with improved activities against antibiotic resistant bacterial pathogens. We have undoubtedly just begun to scratch the surface of what lies hidden in the genomes of environmental bacteria. The work here will greatly increase access to the natural products that remain hidden in the environment and ultimately yield a series of novel natural antibiotics with the potential to better treat antibiotic resistant bacterial pathogens. !
项目摘要:每年美国耐药的感染造成65,000多人, 能够对抗抗生素耐药细菌病原体的新抗生素的鉴定是拼命的 需要。细菌天然产品具有长期以来的良好铅结构的历史 开发临床上有用的抗生素,但不幸的是,从 近年来,培养的细菌急剧放缓。在同一时间,成本效益的出现 高通量测序以及对细菌次级代谢物的越来越复杂的理解 生物合成导致有关寻找新天然产品的两个重要启示:首先 根据生物合成基因簇的数量来判断的大多数培养细菌的生物合成潜力 在测序基因组中观察到的,远大于以前的估计。其次,细菌的数量 在大多数环境中的物种至少比容易的物种数量大100倍 培养。这些观察结果表明,依赖的常规自然产品筛选方法 实验室培养环境中随机细菌菌株的培养,尚未接近实现完整的 地球微生物组的生物合成潜力和细菌方法的根本变化 因此,需要自然产品发现。因此,我的实验室试图开发方法 允许从环境样品中发现天然产品,而无需隔离应变和 耕种。我建议从宏基因组库中收集小分子的方法是 分为两个一般类别:1)基于序列的宏基因组学,依赖于DNA序列 相似性以识别包含特定感兴趣基因的克隆和2)基于功能的宏基因组学,这 依靠表型测定中单个EDNA克隆的随机,公正的筛选来识别克隆 产生生物活性代谢物。使用基于序列的方法,我们可以询问宏基因组 新型基因簇(即新抗生素)以及编码临床相关的同类物的簇 天然产物(即改善临床上重要类抗生素的实用性)。我们的功能筛选 研究将着重于开发用于创建富含自然的宏基因组库的方法 产品基因簇可促进对新型抗生素进行更有效筛查。对于此建议,我们将使用 我们现有的管道和改进的协议(随着它们的到来)来识别新颖的天然产品 改善了针对抗生素耐药性细菌病原体的活性。毫无疑问,我们才刚刚开始刮擦 隐藏在环境细菌基因组中的表面。这里的工作将大大增加 访问仍然隐藏在环境中的天然产品,并最终产生一系列新颖 天然抗生素有可能更好地治疗抗生素耐药性细菌病原体。 呢

项目成果

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