Νέο πεπτιδικό αντιβιοτικό σταματά τα βακτήρια δεσμεύοντας εκεί που κανένα φάρμακο δεν είχε πριν

Νέο πεπτιδικό αντιβιοτικό σταματά τα βακτήρια δεσμεύοντας εκεί που κανένα φάρμακο δεν είχε πριν

Η λαριοσιδίνη χτυπά τα ανθεκτικά στα φάρμακα βακτήρια όπου άλλα αποτυγχάνουν - παρασύροντας το ριβόσωμα σε μια νέα θέση, παρακάμπτοντας τις άμυνες και ανοίγοντας την πόρτα σε μια νέα γενιά αντιβιοτικών.

Lariocidin, ένα πεπτίδιο σε σχήμα λάσο με πολλά υποσχόμενες αντιβιοτικές ιδιότητες. (Γραφικά: Dmitrii Travin και Yury Polikanov). Διερεύνηση: Ένα ευρύ πεπτιδικό αντιβιοτικό λάσο που στοχεύει το βακτηριακό ριβόσωμα

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο McMaster, σε συνεργασία με ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στο Σικάγο, ανακάλυψαν ένα ισχυρό υποψήφιο αντιβιοτικό που μπορεί να σκοτώσει ένα ευρύ φάσμα βακτηρίων, συμπεριλαμβανομένων αυτών που είναι ανθεκτικά στα υπάρχοντα αντιβιοτικά. Δημοσίευσαν τα αποτελέσματα στο περιοδικόΦύση.

φόντο

Η αντίσταση στα αντιβιοτικά εμφανίζεται όταν τα βακτήρια εξελίσσονται και αναπτύσσουν αντοχή στα υπάρχοντα αντιβιοτικά. Είναι μια μεγάλη κρίση δημόσιας υγείας παγκοσμίως που καθιστά δύσκολη τη θεραπεία βακτηριακών λοιμώξεων. Περισσότεροι από 4,5 εκατομμύρια θάνατοι σημειώθηκαν λόγω αντοχής στα αντιβιοτικά το 2019.

Ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας (ΠΟΥ) έχει αναγνωρίσει τα gram-αρνητικά βακτήρια ως κρίσιμη απειλή λόγω της ικανότητάς τους να αναπτύσσουν και να διαδίδουν αντίσταση στα αντιβιοτικά, καθιστώντας ως κορυφαία προτεραιότητα την ανακάλυψη νέων αντιβακτηριακών φαρμάκων.

Διάφορα αντιβιοτικά με βάση τα πεπτίδια που παράγονται από μικρόβια έχουν δείξει υψηλή αποτελεσματικότητα στη θεραπεία βακτηριακών λοιμώξεων. Τα περισσότερα από αυτά τα αντιβιοτικά παράγονται έξω από το ριβόσωμα, την κυτταρική δομή που είναι υπεύθυνη για τη σύνθεση πρωτεϊνών, από εξειδικευμένες πεπτιδικές συνθετάσες που κωδικοποιούνται στα γονιδιώματα των μικροβίων που παράγουν αντιβιοτικά.

Τα ριβοσωμικά συντιθέμενα και μετα-μεταφραστικά τροποποιημένα πεπτίδια κερδίζουν γρήγορα δημοτικότητα ως νέα κατηγορία αντιβιοτικών. Οι μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις καθορίζουν το τρισδιάστατο σχήμα αυτών των πεπτιδίων, διευκολύνουν τις αλληλεπιδράσεις τους με τις πρωτεΐνες στόχους και τις προστατεύουν από την αποδόμηση από τις κυτταρικές πεπτιδάσες.

Τα πεπτίδια λάσο είναι βιολογικά ενεργά μόρια με μια ξεχωριστή, δομικά περιορισμένη κομβική πτυχή που ανήκουν στην κατηγορία των πεπτιδίων που συντίθενται από ριβόσωμα και μετα-μεταφραστικά τροποποιημένα πεπτίδια. Τα πεπτίδια λάσο δρουν σε πολλαπλούς βακτηριακούς στόχους. Ωστόσο, κανένα από αυτά δεν έχει ταυτοποιηθεί ότι στοχεύει το βακτηριακό ριβόσωμα.

Σε αυτόΦύσηΤο άρθρο, ο καθηγητής Gerry Wright του Πανεπιστημίου McMaster και η ομάδα του ανέφεραν την ταυτοποίηση ενός νέου πεπτιδίου λάσο που ονομάζεται lariocidin που λειτουργεί ως αντιβιοτικό ευρέος φάσματος στοχεύοντας το βακτηριακό ριβόσωμα σε μια μοναδική τοποθεσία.

Είναι σημαντικό ότι η λαριοσιδίνη όχι μόνο αναστέλλει την πρωτεϊνική σύνθεση παρεμποδίζοντας τη μετατόπιση, αλλά επίσης προκαλεί σφάλματα μετάφρασης (λανθασμένη κωδικοποίηση), δίνοντας διπλό μηχανισμό δράσης.

Οι ερευνητές σημειώνουν ότι η λαριοσιδίνη πληροί τρία σημαντικά κριτήρια για ένα αντιβιοτικό επόμενης γενιάς: μια νέα δομή, μια νέα θέση δέσμευσης και έναν ξεχωριστό μηχανισμό δράσης.

Αντιβιοτικά σε σχήμα λάσο που εμπλέκονται στην αντοχή του φαρμάκου στην UICΠαιχνίδι

Η μελέτη

Οι ερευνητές δημιούργησαν μια συλλογή περιβαλλοντικών βακτηριακών στελεχών καλλιεργώντας τα στο εργαστήριο για περίπου ένα χρόνο. Μια τέτοια μακροχρόνια καλλιέργεια επέτρεψε την ανάπτυξη των πιο αργά αναπτυσσόμενων βακτηρίων που διαφορετικά θα αγνοούνταν.

Παρήγαγαν μεθανολικά εκχυλίσματα μεμονωμένων βακτηριακών αποικιών και τα δοκίμασαν έναντι ενός πολυανθεκτικού βακτηρίου. Αυτό οδήγησε στην ταυτοποίηση ενός νέου πεπτιδίου λάσο, της λαριοσιδίνης, που παράγεται από έναν τύπο βακτηριδίου του εδάφους που ονομάζεταιPaenibacillus.

Διεξάγοντας μια σειρά βιοχημικών και δομικών πειραμάτων, διαπίστωσαν ότι η λαριοσιδίνη μπορεί να σκοτώσει ένα ευρύ φάσμα βακτηρίων, συμπεριλαμβανομένων των πολυανθεκτικών στελεχών, αναστέλλοντας τη σύνθεση των ριβοσωμικών πρωτεϊνών.

Βρήκαν επίσης ότι η λαριοσιδίνη συνδέεται σε μια μοναδική θέση στη μικρή ριβοσωμική υπομονάδα των βακτηρίων που είναι σημαντικά διαφορετική από τις θέσεις δράσης των υπαρχόντων αντιβιοτικών που στοχεύουν τη μικρή ριβοσωμική υπομονάδα. Αυτή η μοναδική θέση δέσμευσης επέτρεψε στη λαριοσιδίνη να παρακάμψει τους αμυντικούς μηχανισμούς που έχουν εξελιχθεί τα βακτήρια για να αντιστέκονται σε άλλα φάρμακα.

Αυτός ο τρόπος ριβοσωματικής δέσμευσης βασίζεται κυρίως στις αλληλεπιδράσεις με τη ραχοκοκαλιά του RNA παρά με τις νουκλεοβάσεις, καθιστώντας το λιγότερο ευαίσθητο στην αντίσταση που προκαλείται από μεταλλάξεις στη θέση δέσμευσης.

Σε εργαστηριακά προσαρμοσμένα βακτηριακά στελέχη με ένα μόνο οπερόνιο ριβοσωμικού RNA, οι ερευνητές εντόπισαν σπάνιες αυθόρμητες μεταλλάξεις στο 16S rRNA που μείωσαν την ευαισθησία στη λαρικίνη.

Η ομάδα τόνισε ότι η ανάπτυξη αντιβιοτικών που δρουν σε προηγουμένως αχρησιμοποίητες ριβοσωμικές θέσεις προσφέρει έναν τρόπο παράκαμψης των κοινών μηχανισμών αντίστασης.

Όπως παρατηρήθηκε από ερευνητές, η μοναδική δομή της λαριοσιδίνης της επέτρεψε να ξεπεράσει τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν συνήθως άλλα αντιβιοτικά στη στόχευση του βακτηριακού ριβοσώματος. Μηχανιστικά, τα αντιβιοτικά εισέρχονται πρώτα στο βακτηριακό κύτταρο μέσω μεταφορέων για να αναστείλουν την πρωτεϊνική σύνθεση, ιδιαίτερα το ριβόσωμα. Ωστόσο, τα βακτήρια μπορούν να τροποποιήσουν ή να αφαιρέσουν αυτούς τους μεταφορείς για να εμποδίσουν την είσοδο αντιβιοτικών.

Αντίθετα, το ισχυρό θετικό φορτίο της λαριοσιδίνης επέτρεψε στο βακτηριακό κύτταρο να εισέλθει απευθείας μέσω της μεμβράνης χωρίς την ανάγκη μεταφορέων. Αυτό το συγκεκριμένο χαρακτηριστικό έκανε τη λαριοσιδίνη ένα αντιβιοτικό ευρέος φάσματος.

Επειδή η λαριοσιδίνη παρακάμπτει την ανάγκη για συγκεκριμένους μεταφορείς, μπορεί να εισέλθει σε ένα ευρύ φάσμα βακτηριακών ειδών, μειώνοντας την πιθανότητα ανάπτυξης αντοχής μέσω μηχανισμών μεταφορέων.

Χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο ποντικιού απόAcinetobacter baumanniiΣτη μόλυνση, οι ερευνητές έδειξαν ότι η λαριοσιδίνη μπορεί να μειώσει σημαντικά τα βακτηριακά φορτία σε διάφορα όργανα. Διαπίστωσαν περαιτέρω ότι το πεπτίδιο έχει χαμηλή τάση να δημιουργεί αυθόρμητη αντίσταση και δεν έχει κυτταροτοξικές επιδράσεις στα ανθρώπινα κύτταρα.

Η αντιμικροβιακή δράση ήταν ακόμη ισχυρότερη σε περιβάλλοντα ξενιστή που μιμούνται περιορισμένα θρεπτικά συστατικά, υποδεικνύοντας βελτιωμένο κλινικό δυναμικό σε σύγκριση με τις τυπικές δοκιμές ευαισθησίας σε πλούσια μέσα.

Αυτή η ενισχυμένη ισχύς συσχετίστηκε εν μέρει με την παρουσία διττανθρακικών, που αυξάνει το δυναμικό της βακτηριακής μεμβράνης και προάγει την πρόσληψη της θετικά φορτισμένης λαριοζιδίνης.

Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά έκαναν τη λαριοσιδίνη έναν πολλά υποσχόμενο υποψήφιο για περαιτέρω ανάπτυξη σε κλινικό αντιβιοτικό για τη θεραπεία σοβαρών πολυανθεκτικών βακτηριακών λοιμώξεων.

Η μελέτη εντόπισε επίσης μια δομικά σχετική ισομορφή λαριοκιδίνη Β (Lar-B), η οποία περιέχει έναν επιπλέον ισοπεπτιδικό δεσμό που σχηματίζει μια δομή διπλού λαριατίου. Αυτό μπορεί να βελτιώσει τη σταθερότητα του μορίου και σηματοδοτεί τον Lar-B ως τον ιδρυτή μιας προτεινόμενης νέας κατηγορίας (κατηγορίας V) πεπτιδίων λάσο.

Διεξάγοντας βιοπληροφορική ανάλυση διαθέσιμων βακτηριακών γονιδιωμάτων, οι ερευνητές πρότειναν ότι μπορεί να υπάρχουν άλλα πεπτίδια λάσο που στοχεύουν στο ριβόσωμα που δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί στη φύση.

Εντόπισαν δεκάδες συστάδες βιοσυνθετικών γονιδίων που μοιάζουν με λαριοκιδίνη (BGCs) σε πολλαπλά βακτηριακά φυλάκια, συμπεριλαμβανομένων των Actinomycetota, Bacilliota και Proteobacteria, υποδεικνύοντας μια ευρεία εξελικτική κατανομή αυτού του αντιβιοτικού ικριώματος.

Οι ερευνητές περιγράφουν τη λαριοσιδίνη ως το πρώτο μέλος μιας προηγουμένως μη αναγνωρισμένης οικογένειας πεπτιδίων λάσο που στοχεύουν στο ριβόσωμα, με τη δυνατότητα να ανακαλυφθούν ακόμη πιο ισχυρά ανάλογα.

Οι ερευνητές εργάζονται τώρα για να αναπτύξουν στρατηγικές για την τροποποίηση του πεπτιδίου Lasso και την παραγωγή του σε μεγάλες ποσότητες για κλινική ανάπτυξη.

Πηγές: