מקור לפפטידים אנטיביוטיים חדשים

לִלמוֹד: כריית מיקרוביום אנושי חושפת מקור לא מנוצל לאנטיביוטיקה פפטידים. קרדיט תמונה: nobeastsofierce / Shutterstock.com

במחקר שפורסם לאחרונה ב תָאחוקרים ביצעו ניתוח חישובי של מטא-גנומים של המעיים האנושיים כדי לזהות מולקולות מועמדות בעלות פוטנציאל אנטיביוטי.

גילוי מקורות חדשים לאנטיביוטיקה

עמידות לאנטי-מיקרוביאלית היא בעיה מרכזית בבריאות הציבור התורמת להופעת מיקרואורגניזמים עמידים לתרופות, ובכך מגבירה את הסיכון לזיהומים נוסוקומיים. מולקולות פפטיד קצרות, שהוצעו כתרופות אנטיבקטריאליות חדשות, מורכבות משאריות חומצות אמינו באורך קצר, מרחב רצף עצום ודרכי פעולה לא ספציפיות.

עד כה פורסמו מעט מקרים מדווחים של עמידות בפני פפטידים אנטי-מיקרוביאליים (AMPs), מה שהוביל את החוקרים להתעניין יותר ויותר ביישומים הקליניים הפוטנציאליים שלהם. מספר AMPs, הנפוצים שבהם כוללים bacitracin, colistin ו-polymyxin B, כבר אושרו בהצלחה לשימוש קליני.

למרות היתרונות וההצלחה של AMPs, זיהוי מועמדי AMP חדשניים נותר אתגר בשל התהליכים שגוזלים זמן המעורבים בניסויים אלה. יתר על כן, למרות שההתקדמות האחרונה בתחום למידת מכונה, אלגוריתמים גנטיים ואלגוריתמים לזיהוי תבניות הובילה לפיתוח של פפטידים חדשים, מעטות מהגישות הללו כללו כריית פרוטאומים ומטאנומים.

המיקרוביום האנושי מורכב ממינים רבים של חיידקים המסוגלים לדכא את הצמיחה של פתוגנים. למעשה, מחקרים עדכניים דיווחו שהמיקרוביום האנושי מקודד מאות אלפי מסגרות קריאה פתוחות בגודל קטן (smORF), שמעט מהן אופיינו. לפיכך, יש פוטנציאל עצום לרתום את המיקרוביום האנושי לזהות רצפי פפטידים שלא נחקרו עם פעילות אנטי-מיקרוביאלית.

לגבי המחקר

באמצעות טכניקות חישוביות, החוקרים העריכו את היכולות האנטיבקטריאליות של 444,054 פפטידים מ-1,773 מטאנומים אנושיים הרשומים ב-Human Microbiome Project (HMP). כדי לחדד את הרשימה, 78 פפטידים זוהו והוערכו עבור פעילותם האנטיביוטית כנגד מספר חיידקים פתוגניים וקומנסליים בעלי עדיפות גבוהה. בַּמַבחֵנָהשבעקבותיו נבחרו חמישה פפטידים in vivo הַעֲרָכָה.

ה-sMORFinder שימש לזיהוי גנים המקודדים לחלבונים בביטחון גבוה. פפטידים אנטי-מיקרוביאליים נבחרו על סמך ציוני AmPEP גבוהים, ייצוג משפחת המקור של הפפטידים, הרכב חומצות אמינו יעיל לסינתזה כימית והיעדר אשכולות הידרופוביים.

מסד הנתונים של פעילות אנטי-מיקרוביאלית ומבנה פפטידים (DBAASP) נוצל כדי לבחון את המאפיינים הפיזיקליים-כימיים של פפטידים מקודדי smORF (SEPs), כולל מנגנוני הפעולה שלהם, מבנים משניים וציטוטוקסיות.

הריכוז המעכב המינימלי (MIC) של SEPs נבחרים זוהה כדי להעריך את הפעילות האנטי-זיהומית שלהם במודלים עכברים של מורסות עור וזיהומי ירכיים עמוקים באמצעות Acinetobacter baumannii.

נעשה שימוש ברצף חומצה ריבונוקלאית (RNAseq) כדי לחקור שעתוק הומולוגי של Prevotellin-2. Contigs הכוללים 323 SEPs מהרשימה הראשונה נותחו באמצעות BLASTn מול מסד הנתונים של נוקלאוטידים RefSeq של המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגיה (NCBI).

MetaProdigal חזה 531,822 ORFs בגנום hCom2, ולאחר מכן חוקרים השתמשו במסד הנתונים כדי לחקור יישור מולקולרי. היעילות האנטי-מיקרוביאלית של ה-SEPs נגד 11 זנים פתוגניים, כולל פתוגנים של ESKAPEE ו-13 מהחברים הנפוצים ביותר במיקרוביוטה של ​​המעי האנושי, נקבעה גם כדי לחקור אם פפטידים אלה יתמקדו במיקרואורגניזמים במעיים.

המבנים המשניים של SEPs פעילים נותחו באמצעות ColabFold ודיכרואיזם מעגלי כדי לקבוע אם פפטידים אלה יכולים לכוון ביחד לחיידקים. ניסויי לוח דמקה על זוגות SEP שנוצרו מאתרים דומים בוצעו גם כדי לקבוע את אינדקס הריכוז המעכב השברי של אינטראקציות מולקולריות (FICI). כמו כן הוערכה היכולת של SEPs לחלחל את הממברנה החיצונית של חיידקים גרם שליליים תוך שימוש בבדיקות 1-(N-phenylamino)naphthalene (NPN) ו-3,30-dipropylthiadicarbocyanine iodide (DiSC3-5) fluorophore.

ממצאי המחקר

בסך הכל 323 חומרים אנטי-מיקרוביאליים מועמדים המבוססים על פפטידים המקודדים ב- smORFs הפגינו פעילות אנטיבקטריאלית משמעותית נגד פתוגנים רלוונטיים מבחינה טיפולית, שניהם בַּמַבחֵנָה ו in vivo. בַּמַבחֵנָה71% מ-78 הפפטידים המקודדים ב-smORF הפגינו פעילות אנטיבקטריאלית. Prevotellin-2, פגיעה מובילה מ Prevotella copriהפגין פעילות אנטיבקטריאלית מקבילה לפולימיקסין B in vivo.

חמישה SEPs היו חזקים מאוד נגד A. baumannii זיהום הן במודלים של דלקת בירך עמוקה של עכבר והן במודלים של אבצס בעור, שכללו prevotellin-2, fecalibacticin-3, staphylococcin-2, fusobacticin-2 ו-keratinobacin-2. SEPs, בניגוד ל-AMPs ו-EPs, אינם מחדירים את הממברנות החיצוניות של חיידקים. במקום זאת, פפטידים אלה משחררים את הממברנה הציטופלזמית החיידקית, תהליך נבדל מ-AMPs ו-EPs קונבנציונליים.

ל-323 SEPs העשירים במתיונין היו פחות רצפים הידרופוביים ליד הפריפריה או במקומות מאוכלסים בדלילות, ובכך הבדילו אותם מפפטידים כמו AMPs ו-EPs. SEPs נוטים להיות בעלי מבנה מופרע, אשר אינו פוגע בפעולה האנטיבקטריאלית שלהם.

מסקנות

המחקר הנוכחי זיהה 323 פפטידים מהמיקרוביום האנושי, 71% מהם הציגו בַּמַבחֵנָה פעילות אנטיבקטריאלית. Prevotellin-2, שהופיעה כמועמדת מובילה לאחר מכן בַּמַבחֵנָה ו in vivo ניסויים, הראו פעילות אנטיבקטריאלית דומה לזו של polymyxin B מבלי לגרום לרעילות משמעותית כלשהי.

הצינור שלנו מציג פלטפורמה לגילוי של אנטיביוטיקה פפטידית, כולל אלו שעשויות לחסוך בקומנסלים".