Lebende Organismen produzieren eine Vielzahl von Naturprodukten, die in der modernen Medizin und Therapeutik eingesetzt werden können. Bakterien und andere Mikroben sind zur Hauptquelle für Naturstoffe geworden, darunter eine wachsende Familie namens ribosomal synthetisierte und posttranslational modifizierte Peptide oder RiPPs. Die Labors von Douglas Mitchell (MMG), John und Margaret Witt Professor of Chemistry, und Huimin Zhao (CABBI/BSD/GSE/MMG), Steven L. Miller Chair of Chemical and Biomolecular Engineering, an der University of Illinois Urbana-Champaign haben haben zusammengearbeitet, um neue RiPPs zu identifizieren und zu analysieren, die gute Kandidaten für die Arzneimittelentwicklung und Therapeutika sein könnten.
„Im Vergleich zu anderen Klassen von Naturstoffen wie Alkaloiden, Terpenen oder Polyketiden sind RiPPs noch wenig erforscht, teilweise weil ihre biosynthetischen Gencluster recht klein sind und in der Vergangenheit oft übersehen wurden“, sagte Zhao. „Deshalb haben wir uns entschieden, neue Technologien zu entwickeln, um neuartige RiPPs mit biologischer Aktivität zu entdecken.“
„Jetzt, da wir uns im Zeitalter der Genomik befinden, erkennen wir, wie weit verbreitet diese Gruppen von Naturstoffen sind, insbesondere bei Bakterien“, sagte Shravan Dommaraju, Ph.D. Kandidat in Mitchells Labor. „Wir befinden uns im Grunde in dieser Erkundungsphase, in der wir wissen, dass sie da draußen sind, und das Ziel ist zu sehen, wie viele wir finden können, weil wir noch nicht wissen, was sie alle tun.“
In einem neuen Artikel der Labors von Zhao und Mitchell mit den Co-Erstautoren Dommaraju und Hengqian Ren, einem Postdoktoranden in Zhaos Labor, berichtete das Team über die Entdeckung einer einzigartigen, neuartigen Klasse von RiPPs, die sie „Daptide“ nennen. Im Gegensatz zu den meisten Peptiden, die ein positiv geladenes und ein negativ geladenes Ende oder „Terminus“ haben, haben Daptide stattdessen zwei positiv geladene Termini.
„Ein Lehrbuch würde sagen, dass ein Peptid einen Aminoterminus und einen Carboxyterminus hat, aber in unserem Fall haben wir ein ribosomales Peptid gefunden, das zwei Aminotermini hat“, sagte Ren. „Da an beiden Enden eine positive Ladung vorhanden ist, verleiht dies den Daptiden einige interessante Bioaktivitäten.“
Die Forscher erklärten, dass diese Veränderung der Termini zwar gering erscheinen mag, die positive Ladung beider Termini den Daptiden jedoch das Potenzial gibt, mit negativ geladenen Objekten wie Zellmembranen zu interagieren. Um dies zu testen, fügte das Team die Daptiden einer Schale mit roten Blutkörperchen hinzu. Sie fanden heraus, dass die Daptiden eine hämolytische Aktivität zeigten, was bedeutet, dass sie die Membranen der Zellen zerstörten und sie zum Platzen brachten. Zhao erklärte, dass in den RiPPs, mit denen das Team arbeitet, selten hämolytische Aktivität zu finden ist und dass antimikrobielle oder antimykotische Aktivität viel häufiger vorkommt.
„Wir haben über die Struktur nachgedacht und was der evolutionäre Antrieb ist, ein Peptid dazu zu bringen, den negativ geladenen C-Terminus zu verlieren und ihn durch eine positiv geladene Aminogruppe zu ersetzen“, sagte Dommaraju. „Wenn Sie aus technischer Sicht ein Peptid herstellen wollten, das mit einer Membran interagieren kann, würden Sie ein paar positive Ladungen darauf kleben. Und das hat uns tatsächlich dazu veranlasst, es auf hämolytische Aktivität zu testen, weil wir wussten, dass es diese hat Modifikation, die dies ermöglichen sollte.“
Neue RiPPs zu finden ist keine leichte Aufgabe. Zunächst nutzen die Forscher Bioinformatik, um Gencluster zu vergleichen und zu identifizieren, die potenzielle RiPPs hervorbringen könnten. Dann klonen sie den Zielcluster und platzieren ihn in einem zu exprimierenden Organismus, wonach sie nach produzierten Naturprodukten suchen können. Auch nach Erhalt der Produkte bleibt die Frage, was die Produkte bewirken und wie sie hergestellt werden, was mit Bioassays, Gen-Knockouts und einer Vielzahl anderer Tests getestet werden kann. Aber Dommaraju sagt, dass die Labore ihre Expertise einsetzen, wenn sie zusammenarbeiten, um den Prozess zu rationalisieren.
„Bei einem Projekt wie diesem macht das Mitchell-Labor die Bioinformatik und identifiziert coole Gencluster, und das Zhao-Labor bringt das System der synthetischen Biologie zum Laufen und wird diese Peptide exprimieren und herstellen“, erklärte Dommaraju. „Dann sind wir in der Lage, unsere Erfahrung und die sich überschneidenden Dinge, die wir tun, als Team zu markieren, um das Projekt ans Ziel zu bringen.“
Die Forscher sagen, dass die nächsten Schritte darin bestehen, die Enzymfunktionen der Daptide zu verstehen und mithilfe bioinformatischer Analysen zu sehen, ob es andere Kombinationen von Genen gibt, die mit der Daptide-Produktion assoziiert sind. Zu den Richtungen für weitere Studien in der Zukunft gehören die Erforschung potenzieller therapeutischer Anwendungen für Daptide und die ökologische Rolle, die die Daptide-Produktion für die Bakterien hat, die sie herstellen. Sowohl Ren als auch Dommaraju waren sich jedoch einig, dass ihr Interesse an zukünftigen Experimenten mit RiPPs über Daptiden hinausgeht, da es noch mehr Klassen zu entdecken gibt.
„Wir sind daran interessiert, unser Bioinformatik-Tool zu verwenden, um so viele verschiedene Naturstoffklassen wie möglich zu finden“, sagte Ren. „Es gibt derzeit so viele unentdeckte RiPP-Klassen, und es ist aufregend, an der Spitze zu stehen und neue Möglichkeiten zu entdecken. Es besteht immer die Möglichkeit, dass das nächste Produkt, das Sie finden, eine große therapeutische Entwicklung sein könnte!“
Das Papier ist erschienen in Naturkommunikation.
Mehr Informationen:
Hengqian Ren et al., Genome Mining enthüllt eine Klasse von ribosomalen Peptiden mit zwei Aminotermini, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37287-1