Nowy antybiotyk peptydowy zatrzymuje bakterie, wiążąc się tam, gdzie żaden lek wcześniej tego nie zrobił

Nowy antybiotyk peptydowy zatrzymuje bakterie, wiążąc się tam, gdzie żaden lek wcześniej tego nie zrobił

Lariocydyna uderza w bakterie lekooporne tam, gdzie inne zawodzą – przechwytując rybosom w nowe miejsce, omijając mechanizmy obronne i otwierając drzwi dla nowej generacji antybiotyków.

Lariocydyna, peptyd w kształcie lassa o obiecujących właściwościach antybiotykowych. (Grafika: Dmitrii Travin i Yury Polikanov). Badanie: Szeroki antybiotyk peptydowy typu lasso, którego celem jest rybosom bakteryjny

Naukowcy z Uniwersytetu McMaster we współpracy z badaczami z Uniwersytetu Illinois w Chicago odkryli potężnego kandydata na antybiotyk, który może zabić szeroką gamę bakterii, w tym te oporne na istniejące antybiotyki. Wyniki opublikowali w czasopiśmieNatura.

tło

Oporność na antybiotyki pojawia się, gdy bakterie ewoluują i rozwijają oporność na istniejące antybiotyki. Jest to poważny kryzys zdrowia publicznego na całym świecie, który utrudnia leczenie infekcji bakteryjnych. W 2019 r. z powodu oporności na antybiotyki zginęło ponad 4,5 mln osób.

Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) uznała bakterie Gram-ujemne za krytyczne zagrożenie ze względu na ich zdolność do rozwijania i rozprzestrzeniania się oporności na antybiotyki, dlatego odkrywanie nowych leków przeciwbakteryjnych jest dla nich najwyższym priorytetem.

Różne antybiotyki na bazie peptydów wytwarzane przez drobnoustroje wykazały wysoką skuteczność w leczeniu infekcji bakteryjnych. Większość tych antybiotyków jest wytwarzana poza rybosomem – strukturą komórkową odpowiedzialną za syntezę białek – przez wyspecjalizowane syntetazy peptydowe kodowane w genomach drobnoustrojów wytwarzających antybiotyki.

Peptydy syntetyzowane rybosomalnie i modyfikowane potranslacyjnie szybko zyskują na popularności jako nowa klasa antybiotyków. Modyfikacje potranslacyjne ustalają trójwymiarowy kształt tych peptydów, ułatwiają ich interakcję z białkami docelowymi i chronią je przed degradacją przez peptydazy komórkowe.

Peptydy lasso to biologicznie aktywne cząsteczki z wyraźnym, strukturalnie ograniczonym fałdem węzłowym, należące do klasy peptydów syntetyzowanych przez rybosomy i modyfikowanych potranslacyjnie. Peptydy Lasso działają na wiele celów bakteryjnych; Jednakże żaden z nich nie został zidentyfikowany jako ukierunkowany na rybosom bakteryjny.

W tymNaturaW artykule profesor Gerry Wright z McMaster University i jego zespół donieśli o identyfikacji nowego peptydu lasso zwanego lariocydyną, który działa jak antybiotyk o szerokim spektrum działania, kierując rybosom bakteryjny w unikalne miejsce.

Co ważne, lariocydyna nie tylko hamuje syntezę białek poprzez zakłócanie translokacji, ale także indukuje błędy translacyjne (błędne kodowanie), dając podwójny mechanizm działania.

Naukowcy zauważają, że lariocydyna spełnia trzy ważne kryteria antybiotyku nowej generacji: nowatorska struktura, nowe miejsce wiązania i odrębny mechanizm działania.

Antybiotyki w kształcie lasso zaangażowane w oporność na leki omijające UICGrać

Badanie

Naukowcy stworzyli kolekcję środowiskowych szczepów bakterii, hodując je w laboratorium przez około rok. Taka długoterminowa kultura umożliwiła rozwój najwolniej rosnących bakterii, które w przeciwnym razie zostałyby przeoczone.

Wyprodukowali ekstrakty metanolowe z poszczególnych kolonii bakteryjnych i przetestowali je pod kątem bakterii wieloopornych. Doprowadziło to do identyfikacji nowego peptydu lasso, lariocydyny, produkowanego przez rodzaj bakterii glebowej zwanejPaenibacillus.

Przeprowadzając serię eksperymentów biochemicznych i strukturalnych, odkryli, że lariocydyna może zabić szeroką gamę bakterii, w tym szczepy wielolekooporne, poprzez hamowanie syntezy białek rybosomalnych.

Odkryli także, że lariocydyna wiąże się z unikalnym miejscem w małej podjednostce rybosomu bakterii, które znacząco różni się od miejsc działania istniejących antybiotyków, których celem jest mała podjednostka rybosomu. To unikalne miejsce wiązania pozwoliło lariocydynie ominąć mechanizmy obronne, które bakterie wyewoluowały tak, aby były odporne na inne leki.

Ten sposób wiązania rybosomów opiera się głównie na interakcjach ze szkieletem RNA, a nie z zasadami nukleinowymi, co czyni go mniej podatnym na oporność spowodowaną mutacjami w miejscu wiązania.

W laboratoryjnie zaadaptowanych szczepach bakteryjnych z pojedynczym operonem rybosomalnego RNA naukowcy zidentyfikowali rzadkie spontaniczne mutacje w 16S rRNA, które zmniejszały wrażliwość na larycynę.

Zespół podkreślił, że opracowanie antybiotyków działających na wcześniej nieużywane miejsca na rybosomach umożliwia obejście powszechnych mechanizmów oporności.

Jak zaobserwowali naukowcy, unikalna struktura lariocydyny pozwoliła jej przezwyciężyć wyzwania, przed jakimi zwykle stają inne antybiotyki, jeśli chodzi o celowanie w rybosom bakteryjny. Mechanicznie antybiotyki najpierw dostają się do komórki bakteryjnej poprzez transportery, aby zahamować syntezę białek, zwłaszcza rybosomów. Jednakże bakterie mogą modyfikować lub usuwać te transportery, aby zablokować przedostawanie się antybiotyków.

Natomiast silny dodatni ładunek lariocydyny umożliwił komórce bakteryjnej przedostanie się bezpośrednio przez błonę bez potrzeby stosowania transporterów. Ta specyficzna cecha uczyniła lariocydynę antybiotykiem o szerokim spektrum działania.

Ponieważ lariocydyna omija specyficzne transportery, może przedostać się do szerokiego zakresu gatunków bakterii, zmniejszając prawdopodobieństwo rozwoju oporności poprzez mechanizmy transportowe.

Korzystanie z modelu myszy zAcinetobacter baumanniiW przypadku infekcji naukowcy wykazali, że lariocydyna może znacznie zmniejszyć obciążenie bakteryjne w różnych narządach. Ustalili ponadto, że peptyd ma niską skłonność do generowania spontanicznej oporności i nie ma działania cytotoksycznego na komórki ludzkie.

Aktywność przeciwdrobnoustrojowa była jeszcze silniejsza w podłożach o ograniczonej zawartości składników odżywczych imitujących środowiska gospodarza, co wskazuje na większy potencjał kliniczny w porównaniu ze standardowymi testami wrażliwości na podłożach bogatych.

Ta zwiększona siła działania była częściowo związana z obecnością wodorowęglanu, który zwiększa potencjał błony bakteryjnej i sprzyja wychwytowi dodatnio naładowanej lariozydyny.

Wszystkie te cechy uczyniły lariocydynę obiecującym kandydatem do dalszego rozwoju w antybiotyk kliniczny do leczenia poważnych zakażeń bakteryjnych wieloopornych.

W badaniu zidentyfikowano także strukturalnie pokrewną izoformę lariocydyny B (Lar-B), która zawiera dodatkowe wiązanie izopeptydowe tworzące strukturę podwójnego lariatu. Może to poprawić stabilność cząsteczki i wyznacza Lar-B jako twórcę proponowanej nowej klasy (klasy V) peptydów lasso.

Przeprowadzając analizę bioinformatyczną dostępnych genomów bakteryjnych, naukowcy zasugerowali, że mogą istnieć inne peptydy lasso nakierowane na rybosomy, które nie zostały jeszcze odkryte w przyrodzie.

Zidentyfikowali dziesiątki klastrów biosyntetycznych genów podobnych do lariocydyny (BGC) w wielu typach bakterii, w tym Actinomycetota, Bacilliota i Proteobacteria, co wskazuje na szerokie rozmieszczenie ewolucyjne tego rusztowania antybiotykowego.

Naukowcy opisują lariocydynę jako pierwszego członka wcześniej nierozpoznanej rodziny peptydów lasso nakierowanych na rybosomy, z potencjałem odkrycia jeszcze silniejszych analogów.

Naukowcy pracują obecnie nad opracowaniem strategii modyfikacji peptydu Lasso i produkcji go w dużych ilościach na potrzeby badań klinicznych.

Źródła: