Forscher haben eine Strategie entwickelt, um anhand bakterieller Datensätze neue antimikrobielle Medikamente mit therapeutischem Potenzial zu identifizieren und so Hinweise für die Entdeckung von Alternativen zu herkömmlichen Antibiotika zu erhalten.
Die Studie, veröffentlicht heute als rezensierter Vorabdruck in eLebenstellt laut den Herausgebern eine wertvolle neue Strategie zur Identifizierung neuer Lysine (Enzyme, die von Phagen während einer Infektion produziert werden) mit antimikrobieller Aktivität dar. Sie beschreiben die Beweislage für das therapeutische Potenzial von zwei solchen Lysinen, die während der Studie entdeckt wurden – PHAb10 und PHAb11 – als solide. Sie fügen hinzu, dass die Ergebnisse für Mikrobiologen von allgemeinem Interesse sein werden, um sie genauer zu untersuchen.
Antibiotikaresistenz, bei der sich krankheitserregende Mikroorganismen so entwickeln, dass sie die Behandlungen überleben, die sie einst abgetötet haben, stellt ein globales Problem für die öffentliche Gesundheit dar. Der übermäßige Einsatz antimikrobieller Mittel beim Menschen, in der Viehzucht und in der industriellen Landwirtschaft ist der Hauptgrund für die Verbreitung und Anhäufung dieser Resistenz.
„Lysine, die aus Phagen stammen – Viren, die Bakterien infizieren und sich in ihnen vermehren – haben eine antimikrobielle Wirkung und gelten aufgrund ihres geringen Resistenzrisikos und ihrer einzigartigen Wirkungsweise als vielversprechende Alternative zu Antibiotika“, sagt der Hauptautor Li Zhang, ein Doktorand am National Key Laboratory of Agricultural Microbiology der Huazhong Agricultural University in Wuhan, China.
„Die Entdeckung von Lysinen zur Behandlung von Infektionen wird jedoch durch die begrenzte Menge veröffentlichter Phagengenomdaten behindert.“
Neuere Studien zu Lysinen haben deren antimikrobielle Aktivität mit ihren internen Peptiden in Verbindung gebracht – kurzen Ketten von bis zu 50 Aminosäuren mit einer antimikrobiellen peptidähnlichen Struktur. Dies veranlasste Zhang und seine Kollegen zu der Frage, ob sie neue Lysine mit antimikrobieller Aktivität identifizieren könnten, indem sie Datensätze bakterieller Proteome – also den gesamten Satz von Proteinen, die vom Genom in Bakterien exprimiert werden – statt der Genome selbst scannen.
Das Team verwendete P307, ein gut dokumentiertes antimikrobielles Peptid, als Vorlage für die Suche nach neuen antimikrobiellen Lysinen in der Proteomdatenbank des Bakteriums Acinetobacter baumannii (A. baumannii). Diese Datenbank ist öffentlich zugänglich beim National Center for Biotechnology Information. Die Arbeit brachte fünf neue Lysine mit antimikrobiellem Potenzial zutage: PHAb7–11. Insbesondere PHAb10 und PHAb11 zeigten bei den ersten Tests des Teams die vielversprechendsten Ergebnisse.
Um die antimikrobielle Wirkung der fünf Lysine zu bewerten, synthetisierte das Team ihre Gencodierungssequenzen chemisch und exprimierte sie in Escherichia coli (E. coli)-Zellen. Anschließend testeten sie ihre Wirkung gegen drei Bakterienarten: A. baumannii, P. aeruginosa und E. coli. Dabei stellte sich heraus, dass die Lysine selbst in geringen Konzentrationen eine hohe antibakterielle Wirkung hatten.
Der nächste Schritt bestand darin, die antibakterielle Aktivität von PHAb10 und PHAb11 unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen. Frühere Berichte haben gezeigt, dass Lysine in der exponentiellen und stationären Lebensphase unterschiedlich gegen Bakterien wirken. In der stationären Phase stagnieren die bakterielle Reproduktion und das Wachstum, da die Ressourcen knapp werden, während sich Bakterien in der exponentiellen Phase schnell vermehren, wenn reichlich Ressourcen und optimale Bedingungen vorhanden sind.
Bei PHAb10 und PHAb11 beobachtete das Team eine robuste antibakterielle Aktivität gegen sechs verschiedene Bakterienkulturen, sowohl in der stationären als auch in der exponentiellen Phase. Wichtig ist, dass diese Lysine wirksam waren, unabhängig davon, ob die Bakterienkulturen gegen herkömmliche Antibiotika resistent waren oder nicht.
Das Team entdeckte außerdem, dass sowohl PHAb10 als auch PHAb11 nach einer einstündigen Hitzebehandlung bei 100 °C eine signifikante antibakterielle Aktivität behielten, im Gegensatz zu PHAb7, PHAb8 und PHAb9, die unter diesen Bedingungen ihre Wirkung verloren. Um die Thermostabilität von PHAb10 zu verstehen, nutzte das Team die Röntgenkristallographie, um Einblicke in seine Kristallstruktur zu gewinnen.
Sie entdeckten, dass PHAb10 während der Wärmebehandlung einen Faltungs-Rückfaltungsprozess durchlief, bei dem sich dimere Einheiten seiner Struktur unter Hitzestress paaren, um die Stabilität zu erhöhen, und beim Abkühlen wieder zu dimeren Einheiten zurückkehren. Dieser Wechsel wird durch sieben Paare intermolekularer Wechselwirkungen vermittelt und ähnelt in gewisser Weise dem Öffnen und Schließen eines Reißverschlusses. Schließlich testete das Team PHAb10 an zwei Mausmodellen bakterieller Infektionen und stellte fest, dass es die bakterielle Infektion sicher und effizient beseitigte und damit sein therapeutisches Potenzial unter Beweis stellte.
Die Gutachter betonten, dass weitere Tests erforderlich seien, um die Ergebnisse des Teams noch zuverlässiger zu machen. Dazu gehörte beispielsweise ein Lebend/Tot-Test, bei dem mithilfe fluoreszierender Farbstoffe zwischen lebenden und toten Bakterienzellen unterschieden wird. Dies würde einen besseren Einblick in die Wirksamkeit der Lysine bei der Abtötung von Bakterien ermöglichen.
„Unsere Arbeit zeigt, dass täglich aktualisierte Big Data wie bakterielle Genome und Proteome ein entscheidendes Instrument im Kampf gegen Antibiotikaresistenzen sein könnten“, sagt der leitende Autor Hang Yang, Professor am Key Laboratory of Virology and Biosafety, Wuhan Institute of Virology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, China.
„Mit unserer Screening-Strategie konnten wir erfolgreich neue antimikrobielle Lysine mit therapeutischem Potenzial identifizieren. PHAb10 und PHAb11 sind hochgradig thermostabile Lysine mit einem breiten antimikrobiellen Wirkungsspektrum. Wenn zukünftige Studien unsere Ergebnisse bestätigen, könnten diese Lysine als potenzielle therapeutische Behandlungen weiter untersucht werden.“
Mehr Informationen:
Li Zhang et al., Dimer-Monomer-Übergang definiert eine neuartige hyperthermostabile Peptidoglycan-Hydrolase, die aus dem bakteriellen Proteom gewonnen wurde, eLeben (2024). DOI: 10.7554/eLife.98266.1