Nytt peptidantibiotikum stoppar bakterier genom att binda där inget läkemedel har gjort det tidigare

Nytt peptidantibiotikum stoppar bakterier genom att binda där inget läkemedel har gjort det tidigare

Lariocidin träffar läkemedelsresistenta bakterier där andra misslyckas – genom att kapa ribosomen till en ny plats, kringgå försvar och öppna dörren till en ny generation antibiotika.

Lariocidin, en lassoformad peptid med lovande antibiotiska egenskaper. (Grafik: Dmitrii Travin och Yury Polikanov). Utredning: Ett brett lassopeptidantibiotikum som riktar sig mot den bakteriella ribosomen

Forskare vid McMaster University, i samarbete med forskare vid University of Illinois i Chicago, har upptäckt en kraftfull antibiotikakandidat som kan döda ett brett spektrum av bakterier, inklusive de som är resistenta mot befintliga antibiotika. De publicerade resultaten i tidskriftenNatur.

bakgrund

Antibiotikaresistens uppstår när bakterier utvecklas och utvecklar resistens mot befintliga antibiotika. Det är en stor folkhälsokris över hela världen som gör behandlingen av bakteriella infektioner utmanande. Mer än 4,5 miljoner dödsfall inträffade på grund av antibiotikaresistens under 2019.

Världshälsoorganisationen (WHO) har identifierat gramnegativa bakterier som ett kritiskt hot på grund av deras förmåga att utveckla och sprida antibiotikaresistens, vilket gör det till en högsta prioritet att upptäcka nya antibakteriella läkemedel.

Olika peptidbaserade antibiotika som produceras av mikrober har visat hög effektivitet vid behandling av bakterieinfektioner. De flesta av dessa antibiotika produceras utanför ribosomen, den cellulära strukturen som ansvarar för proteinsyntesen, av specialiserade peptidsyntetaser som kodas i genomen hos antibiotikaproducerande mikrober.

Ribosomalt syntetiserade och posttranslationellt modifierade peptider vinner snabbt popularitet som en ny klass av antibiotika. De posttranslationella modifieringarna sätter den tredimensionella formen av dessa peptider, underlättar deras interaktioner med målproteiner och skyddar dem från nedbrytning av cellulära peptidaser.

Lassopeptider är biologiskt aktiva molekyler med ett distinkt, strukturellt begränsat nodalveck som tillhör klassen av ribosomsyntetiserade och posttranslationellt modifierade peptider. Lassopeptider verkar på flera bakteriella mål; Ingen av dem har dock identifierats som inriktad på den bakteriella ribosomen.

I dettaNaturArtikeln, professor Gerry Wright från McMaster University och hans team rapporterade identifieringen av en ny lassopeptid som heter lariocidin som fungerar som ett bredspektrumantibiotikum genom att rikta den bakteriella ribosomen på en unik plats.

Viktigt är att lariocidin inte bara hämmar proteinsyntesen genom att interferera med translokation, utan inducerar också translationsfel (felkodning), vilket ger en dubbel verkningsmekanism.

Forskarna noterar att lariocidin uppfyller tre viktiga kriterier för nästa generations antibiotika: en ny struktur, ett nytt bindningsställe och en distinkt verkningsmekanism.

Lasso-formade antibiotika involverade i UIC-flyktsläkemedelsresistensSpela

Studien

Forskarna skapade en samling av miljöbakteriestammar genom att odla dem i laboratoriet i ungefär ett år. En sådan långtidsodling möjliggjorde tillväxten av de långsammast växande bakterierna som annars skulle förbises.

De producerade metanolextrakt av enskilda bakteriekolonier och testade dem mot en multiresistent bakterie. Detta ledde till identifieringen av en ny lassopeptid, lariocidin, producerad av en typ av jordbakterie som kallasPaenibacillus.

Genom att genomföra en serie biokemiska och strukturella experiment fann de att lariocidin kan döda ett brett spektrum av bakterier, inklusive multiresistenta stammar, genom att hämma ribosomal proteinsyntes.

De fann också att lariocidin binder till ett unikt ställe i den lilla ribosomala subenheten av bakterier som skiljer sig väsentligt från verkningsställena för befintliga antibiotika som riktar sig till den lilla ribosomala subenheten. Detta unika bindningsställe gjorde det möjligt för lariocidin att kringgå de försvarsmekanismer som bakterier har utvecklat för att motstå andra läkemedel.

Detta ribosomala bindningssätt förlitar sig främst på interaktioner med RNA-ryggraden snarare än nukleobaserna, vilket gör det mindre mottagligt för resistens orsakad av mutationer i bindningsstället.

I laboratorieanpassade bakteriestammar med ett enda ribosomalt RNA-operon, identifierade forskarna sällsynta spontana mutationer i 16S rRNA som minskade laricinkänsligheten.

Teamet betonade att utveckling av antibiotika som verkar på tidigare oanvända ribosomala platser erbjuder ett sätt att kringgå vanliga resistensmekanismer.

Som observerats av forskare tillät lariocidins unika struktur det att övervinna de utmaningar som andra antibiotika vanligtvis möter när det gäller att rikta in sig på den bakteriella ribosomen. Mekanistiskt kommer antibiotika först in i bakteriecellen genom transportörer för att hämma proteinsyntesen, särskilt ribosomen. Bakterier kan dock modifiera eller ta bort dessa transportörer för att blockera inträde av antibiotika.

Däremot tillät den starka positiva laddningen av lariocidin bakteriecellen att komma in direkt genom membranet utan behov av transportörer. Denna specifika egenskap gjorde lariocidin till ett bredspektrumantibiotikum.

Eftersom lariocidin kringgår behovet av specifika transportörer kan det komma in i ett brett spektrum av bakteriearter, vilket minskar sannolikheten för resistensutveckling genom transportmekanismer.

Med hjälp av en musmodell frånAcinetobacter baumanniiVid infektion visade forskare att lariocidin avsevärt kan minska bakteriebelastningen i olika organ. De fann vidare att peptiden har en låg benägenhet att generera spontan resistens och inte har några cytotoxiska effekter på mänskliga celler.

Antimikrobiell aktivitet var ännu starkare i näringsbegränsade media som härmar värdmiljöer, vilket tyder på förbättrad klinisk potential jämfört med standardkänslighetstestning i rika medier.

Denna ökade styrka associerades delvis med närvaron av bikarbonat, vilket ökar bakteriemembranpotentialen och främjar upptaget av det positivt laddade lariozidinet.

Alla dessa egenskaper gjorde lariocidin till en lovande kandidat för vidareutveckling till ett kliniskt antibiotikum för behandling av allvarliga multiresistenta bakterieinfektioner.

Studien identifierade också en strukturellt besläktad isoform lariocidin B (Lar-B), som innehåller ytterligare en isopeptidbindning som bildar en dubbel lariatstruktur. Detta kan förbättra molekylens stabilitet och markerar Lar-B som grundaren av en föreslagen ny klass (klass V) av lassopeptider.

Genom att utföra bioinformatikanalys av tillgängliga bakteriegenom, föreslog forskarna att det kan finnas andra ribosominriktade lassopeptider som ännu inte har upptäckts i naturen.

De identifierade dussintals lariocidinliknande biosyntetiska genkluster (BGC) över flera bakteriella phyla, inklusive Actinomycetota, Bacilliota och Proteobacteria, vilket indikerar en bred evolutionär fördelning av denna antibiotiska ställning.

Forskarna beskriver lariocidin som den första medlemmen i en tidigare okänd familj av ribosominriktade lassopeptider, med potential för att ännu mer potenta analoger ska upptäckas.

Forskarna arbetar nu med att utveckla strategier för att modifiera Lasso-peptiden och producera den i stora mängder för klinisk utveckling.

Källor: