Использование больших данных помогает учёным находить новые антимикробные препараты
Исследователи разработали стратегию для выявления новых антимикробных препаратов с терапевтическим потенциалом из бактериальных наборов данных, что даёт ключи к открытию альтернатив традиционным антибиотикам.
Исследование, опубликованное в качестве рецензируемого препринта в eLife, представляет собой ценную новую стратегию для идентификации новых лизоцимов (ферментов, продуцируемых фагами во время инфекции) с антимикробной активностью. Редакторы описывают силу доказательств как убедительную в отношении терапевтического потенциала двух таких лизоцимов, открытых в ходе исследования — PHAb10 и PHAb11.
Антибиотикорезистентность, при которой микроорганизмы, вызывающие болезни, эволюционируют, чтобы выжить после лечения, представляет собой глобальную проблему общественного здравоохранения. Основная причина распространения и накопления этой устойчивости — чрезмерное использование противомикробных средств.
«Лизоцимы, которые происходят от фагов — вирусов, заражающих и размножающихся внутри бактерий — обладают антимикробным действием и считаются многообещающей альтернативой антибиотикам из-за низкого риска развития резистентности и уникального механизма действия», — говорит ведущий автор Ли Чжан.
Однако открытие лизоцимов для лечения инфекций затруднено ограниченным количеством опубликованных данных о геномах фагов.
Недавние исследования связали антимикробную активность лизоцимов с их внутренними пептидами — короткими цепочками до 50 аминокислот. Это побудило команду попытаться идентифицировать новые лизоцимы с антимикробной активностью, сканируя наборы данных бактериальных протеомов (полного набора белков, экспрессируемых геномом в бактериях), а не сами геномы.
Команда использовала хорошо известный антимикробный пептид P307 в качестве шаблона для поиска новых антимикробных лизоцимов в базе данных протеома бактерии Acinetobacter baumannii (A. baumannii) из Национального центра биотехнологической информации. Работа выявила пять новых лизоцимов с антимикробным потенциалом: PHAb7–11. В частности, PHAb10 и PHAb11 показали наибольшие перспективы в первоначальных тестах.
Для оценки антимикробной активности пяти лизоцимов команда химически синтезировала их кодирующие последовательности и экспрессировала их в клетках Escherichia coli (E. coli). Затем их активность проверили против трёх видов бактерий: A. baumannii, P. aeruginosa и E. coli. Оказалось, что даже при низких концентрациях лизоцимы обладают высокой антибактериальной активностью.
Далее оценили антибактериальную активность PHAb10 и PHAb11 в разных условиях. Для PHAb10 и PHAb11 наблюдалась устойчивая антибактериальная активность против шести различных культур бактерий как в стационарной, так и в экспоненциальной фазе роста. Важно, что эти лизоцимы были эффективны независимо от того, были ли бактериальные культуры устойчивы к традиционным антибиотикам.
Команда также обнаружила, что и PHAb10, и PHAb11 сохраняли значительную антибактериальную активность после термообработки при 100°C в течение часа, в отличие от PHAb7, PHAb8 и PHAb9, которые теряли эффект. Чтобы понять термостабильность PHAb10, команда использовала рентгеноструктурный анализ (X-ray crystallography) для получения информации о его кристаллической структуре.
Они обнаружили, что PHAb10 проходит процесс складывания-перескладывания (folding-refolding) во время термообработки, где димерные единицы его структуры объединяются под тепловым стрессом для повышения стабильности и возвращаются к димерным единицам при охлаждении. Это переключение опосредовано семью парами межмолекулярных взаимодействий и чем-то похоже на застёгивание и расстёгивание молнии.
Наконец, команда протестировала PHAb10 на двух мышиных моделях бактериальной инфекции и обнаружила, что он безопасно и эффективно устраняет бактериальную инфекцию, демонстрируя терапевтический потенциал.
Рецензенты подчеркнули необходимость дальнейших тестов для повышения убедительности выводов, таких как анализ живых/мёртвых клеток (live/dead assay), который даст больше информации о том, насколько эффективно лизоцимы убивают бактерии.
«Наша работа демонстрирует, что ежедневно обновляемые большие данные, такие как бактериальные геномы и протеомы, могут стать решающим инструментом в борьбе с антибиотикорезистентностью», — говорит старший автор Хан Ян.
«Мы использовали нашу стратегию скрининга, чтобы успешно идентифицировать новые антимикробные лизоцимы с терапевтическим потенциалом. PHAb10 и PHAb11 — высокотермостабильные лизоцимы с широким спектром антимикробного действия. Если будущие исследования подтвердят наши выводы, эти лизоцимы можно будет изучить дальше как потенциальные терапевтические средства».