Nové peptidové antibiotikum zastavuje baktérie tým, že sa viaže tam, kde predtým žiadne liečivo

Nové peptidové antibiotikum zastavuje baktérie tým, že sa viaže tam, kde predtým žiadne liečivo

Lariocidín zasiahne baktérie odolné voči liekom tam, kde iné zlyhajú – únosom ribozómu na nové miesto, obídením obrany a otvorením dverí novej generácii antibiotík.

Lariocidín, peptid v tvare lasa so sľubnými antibiotickými vlastnosťami. (Grafika: Dmitrij Travin a Jurij Polikanov). Vyšetrenie: Široké laso peptidové antibiotikum, ktoré sa zameriava na bakteriálny ribozóm

Výskumníci z McMaster University v spolupráci s výskumníkmi z University of Illinois v Chicagu objavili silné kandidátske antibiotikum, ktoré dokáže zabiť široké spektrum baktérií, vrátane tých, ktoré sú odolné voči existujúcim antibiotikám. Výsledky zverejnili v časopisePríroda.

pozadia

Antibiotická rezistencia nastáva, keď sa baktérie vyvíjajú a vyvíjajú rezistenciu na existujúce antibiotiká. Ide o veľkú celosvetovú krízu verejného zdravia, ktorá sťažuje liečbu bakteriálnych infekcií. V roku 2019 došlo v dôsledku rezistencie na antibiotiká k viac ako 4,5 miliónom úmrtí.

Svetová zdravotnícka organizácia (WHO) identifikovala gramnegatívne baktérie ako kritickú hrozbu pre ich schopnosť vyvinúť a šíriť rezistenciu na antibiotiká, takže je najvyššou prioritou objavovanie nových antibakteriálnych liekov.

Rôzne antibiotiká na báze peptidov produkované mikróbmi preukázali vysokú účinnosť pri liečbe bakteriálnych infekcií. Väčšina týchto antibiotík je produkovaná mimo ribozómu, bunkovej štruktúry zodpovednej za syntézu proteínov, pomocou špecializovaných peptidových syntetáz kódovaných v genómoch mikróbov produkujúcich antibiotiká.

Ribozomálne syntetizované a posttranslačne modifikované peptidy rýchlo získavajú na popularite ako nová trieda antibiotík. Posttranslačné modifikácie nastavujú trojrozmerný tvar týchto peptidov, uľahčujú ich interakcie s cieľovými proteínmi a chránia ich pred degradáciou bunkovými peptidázami.

Laso peptidy sú biologicky aktívne molekuly s odlišným, štrukturálne obmedzeným uzlovým skladom, ktoré patria do triedy ribozómovo syntetizovaných a posttranslačne modifikovaných peptidov. Laso peptidy pôsobia na viaceré bakteriálne ciele; Žiadna z nich však nebola identifikovaná ako zameraná na bakteriálny ribozóm.

V tomtoPrírodaProfesor Gerry Wright z McMaster University a jeho tím v článku informovali o identifikácii nového laso peptidu nazývaného lariocidín, ktorý funguje ako širokospektrálne antibiotikum tým, že sa zameriava na bakteriálny ribozóm na jedinečnom mieste.

Dôležité je, že lariocidín nielenže inhibuje syntézu proteínov tým, že interferuje s translokáciou, ale tiež vyvoláva chyby translácie (chybné kódovanie), čím vzniká dvojitý mechanizmus účinku.

Výskumníci poznamenávajú, že lariocidín spĺňa tri dôležité kritériá pre antibiotikum novej generácie: nová štruktúra, nové väzbové miesto a odlišný mechanizmus účinku.

Antibiotiká v tvare lasa, ktoré sa podieľajú na rezistencii voči liekom vyhýbajúcim sa UICHrať

Štúdia

Výskumníci vytvorili zbierku environmentálnych bakteriálnych kmeňov tak, že ich kultivovali v laboratóriu asi rok. Takáto dlhodobá kultivácia umožnila rast najpomalšie rastúcich baktérií, ktoré by inak boli prehliadnuté.

Vyrábali metanolové extrakty jednotlivých kolónií baktérií a testovali ich proti multirezistentnej baktérii. To viedlo k identifikácii nového laso peptidu, lariocidínu, produkovaného druhom pôdnej baktérie tzv.Paenibacillus.

Uskutočnením série biochemických a štrukturálnych experimentov zistili, že lariocidín môže zabíjať široké spektrum baktérií, vrátane kmeňov odolných voči viacerým liečivám, inhibíciou syntézy ribozomálnych proteínov.

Zistili tiež, že lariocidín sa viaže na jedinečné miesto v malej ribozomálnej podjednotke baktérií, ktoré sa výrazne líši od miest účinku existujúcich antibiotík, ktoré sa zameriavajú na malú ribozomálnu podjednotku. Toto jedinečné väzbové miesto umožnilo lariocidínu obísť obranné mechanizmy, ktoré si baktérie vyvinuli, aby odolávali iným liekom.

Tento ribozomálny väzbový režim sa primárne spolieha skôr na interakcie s kostrou RNA než s nukleobázami, čím je menej náchylný na rezistenciu spôsobenú mutáciami vo väzbovom mieste.

V laboratórne upravených bakteriálnych kmeňoch s jediným ribozomálnym RNA operónom vedci identifikovali zriedkavé spontánne mutácie v 16S rRNA, ktoré znížili citlivosť na laricín.

Tím zdôraznil, že vývoj antibiotík, ktoré pôsobia na predtým nepoužívaných ribozomálnych miestach, ponúka spôsob, ako obísť bežné mechanizmy rezistencie.

Ako pozorovali výskumníci, jedinečná štruktúra lariocidínu mu umožnila prekonať problémy, ktorým zvyčajne čelia iné antibiotiká pri zacielení na bakteriálny ribozóm. Mechanicky antibiotiká najskôr vstupujú do bakteriálnej bunky cez transportéry, aby inhibovali syntézu proteínov, najmä ribozómov. Avšak baktérie môžu modifikovať alebo odstrániť tieto transportéry, aby zablokovali vstup antibiotík.

Na rozdiel od toho silný pozitívny náboj lariocidínu umožnil bakteriálnej bunke vstúpiť priamo cez membránu bez potreby transportérov. Táto špecifická vlastnosť urobila z lariocidínu širokospektrálne antibiotikum.

Pretože lariocidín obchádza potrebu špecifických transportérov, môže vstúpiť do širokého spektra bakteriálnych druhov, čím sa znižuje pravdepodobnosť vzniku rezistencie prostredníctvom transportných mechanizmov.

Pomocou modelu myši zAcinetobacter baumanniiPri infekcii vedci ukázali, že lariocidín môže výrazne znížiť bakteriálne zaťaženie rôznych orgánov. Ďalej zistili, že peptid má nízku tendenciu vytvárať spontánnu rezistenciu a nemá žiadne cytotoxické účinky na ľudské bunky.

Antimikrobiálna aktivita bola ešte silnejšia v médiách s obmedzeným množstvom živín napodobňujúcich hostiteľské prostredia, čo naznačuje zlepšený klinický potenciál v porovnaní so štandardným testovaním citlivosti v bohatých médiách.

Táto zvýšená účinnosť bola čiastočne spojená s prítomnosťou bikarbonátu, ktorý zvyšuje potenciál bakteriálnej membrány a podporuje príjem kladne nabitého lariozidínu.

Všetky tieto vlastnosti urobili z lariocidínu sľubného kandidáta na ďalší vývoj na klinické antibiotikum na liečbu závažných multirezistentných bakteriálnych infekcií.

Štúdia tiež identifikovala štruktúrne príbuznú izoformu lariocidínu B (Lar-B), ktorá obsahuje ďalšiu izopeptidovú väzbu tvoriacu štruktúru dvojitého lariatu. To môže zlepšiť stabilitu molekuly a označuje Lar-B ako zakladateľa navrhovanej novej triedy (trieda V) laso peptidov.

Uskutočnením bioinformatickej analýzy dostupných bakteriálnych genómov výskumníci naznačili, že môžu existovať ďalšie laso peptidy zamerané na ribozómy, ktoré ešte neboli objavené v prírode.

Identifikovali desiatky biosyntetických génových zhlukov podobných lariocidínu (BGC) naprieč viacerými bakteriálnymi kmeňmi, vrátane Actinomycetota, Bacilliota a Proteobacteria, čo naznačuje širokú evolučnú distribúciu tohto antibiotického skeletu.

Výskumníci opisujú lariocidín ako prvého člena predtým nerozpoznanej rodiny laso peptidov zameraných na ribozómy, s potenciálom na objavenie ešte silnejších analógov.

Výskumníci teraz pracujú na vývoji stratégií na modifikáciu Lasso peptidu a jeho produkciu vo veľkých množstvách pre klinický vývoj.

Zdroje: