Novi peptidni antibiotik ustavi bakterije tako, da se veže tam, kjer jih prej ni uspelo nobenemu zdravilu

Novi peptidni antibiotik ustavi bakterije tako, da se veže tam, kjer jih prej ni uspelo nobenemu zdravilu

Lariocidin zadene bakterije, odporne na zdravila, kjer drugim ne uspe – tako, da ugrabi ribosom na novo lokacijo, obide obrambo in odpre vrata novi generaciji antibiotikov.

Lariocidin, peptid v obliki lasa z obetajočimi antibiotičnimi lastnostmi. (Grafika: Dmitrij Travin in Jurij Polikanov). Preiskava: Širok lasso peptidni antibiotik, ki cilja na bakterijski ribosom

Raziskovalci z univerze McMaster so v sodelovanju z raziskovalci z univerze Illinois v Chicagu odkrili močan kandidat za antibiotik, ki lahko uniči širok spekter bakterij, vključno s tistimi, ki so odporne na obstoječe antibiotike. Rezultate so objavili v revijiNarava.

ozadje

Odpornost na antibiotike se pojavi, ko se bakterije razvijejo in razvijejo odpornost na obstoječe antibiotike. Gre za veliko javnozdravstveno krizo po vsem svetu, zaradi katere je zdravljenje bakterijskih okužb zahtevno. Leta 2019 je zaradi odpornosti na antibiotike umrlo več kot 4,5 milijona ljudi.

Svetovna zdravstvena organizacija (WHO) je opredelila gram-negativne bakterije kot kritično grožnjo zaradi njihove zmožnosti razvoja in širjenja odpornosti na antibiotike, zato je odkrivanje novih protibakterijskih zdravil glavna prednostna naloga.

Različni antibiotiki na osnovi peptidov, ki jih proizvajajo mikrobi, so pokazali visoko učinkovitost pri zdravljenju bakterijskih okužb. Večina teh antibiotikov se proizvaja zunaj ribosoma, celične strukture, ki je odgovorna za sintezo beljakovin, s posebnimi peptidnimi sintetazami, kodiranimi v genomih mikrobov, ki proizvajajo antibiotike.

Ribosomsko sintetizirani in posttranslacijsko modificirani peptidi hitro pridobivajo na priljubljenosti kot nov razred antibiotikov. Posttranslacijske modifikacije nastavijo tridimenzionalno obliko teh peptidov, olajšajo njihove interakcije s ciljnimi proteini in jih zaščitijo pred razgradnjo s celičnimi peptidazami.

Laso peptidi so biološko aktivne molekule z izrazito, strukturno omejeno nodalno gubo, ki spadajo v razred ribosomsko sintetiziranih in posttranslacijsko modificiranih peptidov. Lasso peptidi delujejo na več bakterijskih tarč; Vendar za nobenega od njih ni bilo ugotovljeno, da cilja na bakterijski ribosom.

V temNaravaV članku so profesor Gerry Wright z univerze McMaster in njegova ekipa poročali o identifikaciji novega laso peptida, imenovanega lariocidin, ki deluje kot antibiotik širokega spektra, tako da cilja na bakterijski ribosom na edinstveni lokaciji.

Pomembno je, da lariocidin ne le zavira sintezo beljakovin z motnjami v translokaciji, ampak povzroča tudi napake pri prevajanju (napačno kodiranje), kar daje dvojni mehanizem delovanja.

Raziskovalci ugotavljajo, da lariocidin izpolnjuje tri pomembna merila za antibiotik naslednje generacije: novo strukturo, novo vezavno mesto in poseben mehanizem delovanja.

Antibiotiki v obliki lasa, ki sodelujejo pri odpornosti na zdravila proti utaji UICIgraj

Študija

Raziskovalci so ustvarili zbirko okoljskih bakterijskih sevov tako, da so jih gojili v laboratoriju približno eno leto. Takšna dolgotrajna kultura je omogočila rast najpočasneje rastočih bakterij, ki bi bile sicer spregledane.

Izdelali so metanolne izvlečke posameznih bakterijskih kolonij in jih testirali proti multirezistentni bakteriji. To je vodilo do identifikacije novega laso peptida, lariocidina, ki ga proizvaja vrsta talne bakterije, imenovanePaenibacillus.

Z izvedbo serije biokemičnih in strukturnih poskusov so ugotovili, da lahko lariocidin uniči širok spekter bakterij, vključno s sevi, odpornimi na več zdravil, z zaviranjem sinteze ribosomskih beljakovin.

Ugotovili so tudi, da se lariocidin veže na edinstveno mesto v majhni ribosomski podenoti bakterij, ki se bistveno razlikuje od mest delovanja obstoječih antibiotikov, ki ciljajo na majhno ribosomsko podenoto. To edinstveno vezavno mesto je lariocidinu omogočilo, da je zaobšel obrambne mehanizme, ki so jih bakterije razvile za odpornost proti drugim zdravilom.

Ta način ribosomske vezave temelji predvsem na interakcijah z ogrodjem RNA in ne na nukleobazah, zaradi česar je manj dovzeten za odpornost, ki jo povzročajo mutacije na mestu vezave.

V laboratorijsko prilagojenih bakterijskih sevih z enim operonom ribosomske RNA so raziskovalci identificirali redke spontane mutacije v 16S rRNA, ki so zmanjšale občutljivost za laricin.

Ekipa je poudarila, da razvoj antibiotikov, ki delujejo na prej neuporabljenih ribosomskih mestih, ponuja način za izogibanje običajnim mehanizmom odpornosti.

Kot so opazili raziskovalci, je edinstvena struktura lariocidina omogočila premagovanje izzivov, s katerimi se običajno srečujejo drugi antibiotiki pri ciljanju na bakterijski ribosom. Mehansko gledano antibiotiki najprej vstopijo v bakterijsko celico prek prenašalcev, da zavirajo sintezo beljakovin, zlasti ribosoma. Vendar lahko bakterije spremenijo ali odstranijo te prenašalce, da preprečijo vstop antibiotikov.

Nasprotno pa je močan pozitivni naboj lariocidina omogočil bakterijski celici vstop neposredno skozi membrano brez potrebe po transporterjih. Zaradi te posebne lastnosti je lariocidin antibiotik širokega spektra.

Ker lariocidin obide potrebo po specifičnih prenašalcih, lahko vstopi v širok spekter bakterijskih vrst, kar zmanjša verjetnost razvoja odpornosti prek transportnih mehanizmov.

Uporaba modela miške izAcinetobacter baumanniiPri okužbi so raziskovalci pokazali, da lahko lariocidin znatno zmanjša bakterijsko obremenitev v različnih organih. Nadalje so ugotovili, da ima peptid nizko nagnjenost k ustvarjanju spontane odpornosti in nima citotoksičnih učinkov na človeške celice.

Protimikrobna aktivnost je bila še močnejša v medijih z omejeno količino hranil, ki posnemajo gostiteljska okolja, kar kaže na izboljšan klinični potencial v primerjavi s standardnim testiranjem občutljivosti v bogatih medijih.

Ta povečana moč je bila delno povezana s prisotnostjo bikarbonata, ki poveča potencial bakterijske membrane in spodbuja privzem pozitivno nabitega lariozidina.

Vse te lastnosti so naredile lariocidin obetavnega kandidata za nadaljnji razvoj v klinični antibiotik za zdravljenje resnih multirezistentnih bakterijskih okužb.

Študija je identificirala tudi strukturno sorodno izoformo lariocidina B (Lar-B), ki vsebuje dodatno izopeptidno vez, ki tvori dvojno lariat strukturo. To lahko izboljša stabilnost molekule in označuje Lar-B kot ustanovitelja predlaganega novega razreda (razred V) laso peptidov.

Z izvedbo bioinformatske analize razpoložljivih bakterijskih genomov so raziskovalci nakazali, da morda obstajajo drugi laso peptidi, ki ciljajo na ribosome, ki jih je treba v naravi še odkriti.

Identificirali so na desetine lariocidinu podobnih biosintetičnih genskih grozdov (BGC) v več vrstah bakterij, vključno z Actinomycetota, Bacilliota in Proteobacteria, kar kaže na široko evolucijsko porazdelitev tega antibiotičnega ogrodja.

Raziskovalci opisujejo lariocidin kot prvega člana prej neprepoznane družine laso peptidov, ki ciljajo na ribosome, s potencialom za odkritje še močnejših analogov.

Raziskovalci zdaj delajo na razvoju strategij za spreminjanje peptida Lasso in njegovo proizvodnjo v velikih količinah za klinični razvoj.

Viri: