Nieuw peptide-antibioticum stopt bacteriën door zich te binden waar geen enkel medicijn eerder heeft gedaan

Nieuw peptide-antibioticum stopt bacteriën door zich te binden waar geen enkel medicijn eerder heeft gedaan

Lariocidin treft resistente bacteriën waar anderen falen: door het ribosoom naar een nieuwe locatie te kapen, de verdediging te omzeilen en de deur te openen voor een nieuwe generatie antibiotica.

Lariocidin, een lassovormig peptide met veelbelovende antibiotische eigenschappen. (Grafiek: Dmitrii Travin en Yury Polikanov). Onderzoek: Een breed lassopeptide-antibioticum dat zich richt op het bacteriële ribosoom

Onderzoekers van McMaster University hebben, in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Chicago, een krachtig kandidaat-antibioticum ontdekt dat een breed scala aan bacteriën kan doden, inclusief bacteriën die resistent zijn tegen bestaande antibiotica. Ze publiceerden de resultaten in het tijdschriftNatuur.

achtergrond

Antibioticaresistentie ontstaat wanneer bacteriën evolueren en resistentie ontwikkelen tegen bestaande antibiotica. Het is wereldwijd een grote volksgezondheidscrisis die de behandeling van bacteriële infecties uitdagend maakt. In 2019 vonden ruim 4,5 miljoen sterfgevallen plaats als gevolg van antibioticaresistentie.

De Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) heeft gramnegatieve bacteriën geïdentificeerd als een kritische bedreiging vanwege hun vermogen om antibioticaresistentie te ontwikkelen en te verspreiden, waardoor het een topprioriteit is om nieuwe antibacteriële geneesmiddelen te ontdekken.

Verschillende door microben geproduceerde op peptiden gebaseerde antibiotica hebben een hoge effectiviteit getoond bij de behandeling van bacteriële infecties. De meeste van deze antibiotica worden geproduceerd buiten het ribosoom, de cellulaire structuur die verantwoordelijk is voor de eiwitsynthese, door gespecialiseerde peptidesynthetasen die worden gecodeerd in de genomen van antibioticaproducerende microben.

Ribosomaal gesynthetiseerde en posttranslationeel gemodificeerde peptiden winnen snel aan populariteit als een nieuwe klasse antibiotica. De post-translationele modificaties bepalen de driedimensionale vorm van deze peptiden, vergemakkelijken hun interacties met doeleiwitten en beschermen ze tegen afbraak door cellulaire peptidasen.

Lassopeptiden zijn biologisch actieve moleculen met een duidelijke, structureel beperkte knoopplooi die behoren tot de klasse van door ribosoom gesynthetiseerde en post-translationeel gemodificeerde peptiden. Lassopeptiden werken op meerdere bacteriële doelwitten; Van geen van hen is echter vastgesteld dat ze zich richten op het bacteriële ribosoom.

HierinNatuurIn het artikel rapporteerden professor Gerry Wright van McMaster University en zijn team de identificatie van een nieuw lassopeptide genaamd lariocidin dat functioneert als een breedspectrumantibioticum door zich op het bacteriële ribosoom op een unieke locatie te richten.

Belangrijk is dat lariocidin niet alleen de eiwitsynthese remt door de translocatie te verstoren, maar ook vertaalfouten induceert (miscodering), waardoor een dubbel werkingsmechanisme ontstaat.

De onderzoekers merken op dat lariocidin voldoet aan drie belangrijke criteria voor een antibioticum van de volgende generatie: een nieuwe structuur, een nieuwe bindingsplaats en een duidelijk werkingsmechanisme.

Lassovormige antibiotica betrokken bij resistentie tegen geneesmiddelen tegen UIC-ontduikingToneelstuk

De studie

De onderzoekers creëerden een verzameling bacteriestammen uit de omgeving door ze ongeveer een jaar in het laboratorium te kweken. Een dergelijke langetermijncultuur maakte de groei mogelijk van de langzaamst groeiende bacteriën die anders over het hoofd zouden worden gezien.

Ze produceerden methanolische extracten van individuele bacteriekolonies en testten deze tegen een multiresistente bacterie. Dit leidde tot de identificatie van een nieuw lassopeptide, lariocidin, geproduceerd door een soort bodembacterie genaamdPaenibacillus.

Door een reeks biochemische en structurele experimenten uit te voeren, ontdekten ze dat lariocidin een breed scala aan bacteriën kan doden, waaronder multiresistente stammen, door de ribosomale eiwitsynthese te remmen.

Ze ontdekten ook dat lariocidin zich bindt aan een unieke plaats in de kleine ribosomale subeenheid van bacteriën die significant verschilt van de werkingsplaatsen van bestaande antibiotica die zich op de kleine ribosomale subeenheid richten. Dankzij deze unieke bindingsplaats kon lariocidin de afweermechanismen omzeilen die bacteriën hebben ontwikkeld om zich tegen andere geneesmiddelen te verzetten.

Deze ribosomale bindingsmodus is voornamelijk afhankelijk van interacties met de RNA-skelet in plaats van met de nucleobasen, waardoor deze minder gevoelig is voor resistentie veroorzaakt door mutaties in de bindingsplaats.

In laboratorium-aangepaste bacteriestammen met een enkel ribosomaal RNA-operon identificeerden de onderzoekers zeldzame spontane mutaties in het 16S-rRNA die de gevoeligheid voor laricine verminderden.

Het team benadrukte dat het ontwikkelen van antibiotica die inwerken op voorheen ongebruikte ribosomale plaatsen een manier is om gemeenschappelijke resistentiemechanismen te omzeilen.

Zoals waargenomen door onderzoekers, zorgde de unieke structuur van lariocidin ervoor dat het de uitdagingen kon overwinnen waarmee andere antibiotica doorgaans worden geconfronteerd bij het richten op het bacteriële ribosoom. Mechanistisch gezien komen antibiotica eerst de bacteriële cel binnen via transporters om de eiwitsynthese te remmen, met name het ribosoom. Bacteriën kunnen deze transporters echter wijzigen of verwijderen om de toegang van antibiotica te blokkeren.

Daarentegen zorgde de sterke positieve lading van lariocidin ervoor dat de bacteriële cel rechtstreeks door het membraan kon binnendringen zonder de noodzaak van transporters. Dit specifieke kenmerk maakte lariocidin tot een breedspectrumantibioticum.

Omdat lariocidin de behoefte aan specifieke transporters omzeilt, kan het een breed scala aan bacteriesoorten binnendringen, waardoor de kans kleiner wordt dat resistentie zich ontwikkelt via transportmechanismen.

Met behulp van een muismodel vanAcinetobacter baumanniiBij infecties hebben onderzoekers aangetoond dat lariocidin de bacteriële belasting in verschillende organen aanzienlijk kan verminderen. Ze ontdekten verder dat het peptide een lage neiging heeft om spontane resistentie te genereren en geen cytotoxische effecten heeft op menselijke cellen.

De antimicrobiële activiteit was zelfs sterker in media met beperkte voedingsstoffen die de gastheeromgeving nabootsten, wat wijst op een verbeterd klinisch potentieel vergeleken met standaard gevoeligheidstesten in rijke media.

Deze verhoogde potentie was gedeeltelijk geassocieerd met de aanwezigheid van bicarbonaat, dat het bacteriële membraanpotentieel verhoogt en de opname van het positief geladen lariozidine bevordert.

Al deze kenmerken maakten lariocidin tot een veelbelovende kandidaat voor verdere ontwikkeling tot een klinisch antibioticum voor de behandeling van ernstige multiresistente bacteriële infecties.

De studie identificeerde ook een structureel verwante isovorm lariocidin B (Lar-B), die een extra isopeptidebinding bevat die een dubbele lariatstructuur vormt. Dit kan de stabiliteit van het molecuul verbeteren en markeert Lar-B als de grondlegger van een voorgestelde nieuwe klasse (Klasse V) lassopeptiden.

Door bio-informatica-analyses uit te voeren van beschikbare bacteriële genomen, suggereerden de onderzoekers dat er mogelijk andere op ribosoom gerichte lassopeptiden zijn die nog in de natuur ontdekt moeten worden.

Ze identificeerden tientallen lariocidin-achtige biosynthetische genclusters (BGC's) over meerdere bacteriële fyla's, waaronder Actinomycetota, Bacilliota en Proteobacteria, wat wijst op een brede evolutionaire verspreiding van dit antibioticascaffold.

De onderzoekers beschrijven lariocidin als het eerste lid van een voorheen niet-herkende familie van op ribosoom gerichte lassopeptiden, met het potentieel om nog krachtigere analogen te ontdekken.

De onderzoekers werken nu aan het ontwikkelen van strategieën om het Lasso-peptide te modificeren en in grote hoeveelheden te produceren voor klinische ontwikkeling.

Bronnen: