Инженеры MIT используют яд осы в качестве антибиотика

Яд насекомых, таких как осы и пчелы, полон соединений, которые могут убивать бактерии. К сожалению, многие из этих соединений также токсичны для человека, что делает невозможным их использование в качестве антибиотиков.

После систематического изучения антимикробных свойств токсина, обычно обнаруживаемого в осе Южной Америки, исследователи из Массачусетского технологического института в настоящее время создали варианты пептида, которые являются сильнодействующими против бактерий, но нетоксичны для клеток человека.

В исследовании мышей исследователи обнаружили, что их самый сильный пептид может полностью уничтожить Pseudomonas aeruginosa, штамм бактерий, который вызывает респираторные и другие инфекции и устойчив к большинству антибиотиков.

«Мы переделали токсичную молекулу в одну, которая является жизнеспособной молекулой для лечения инфекций», - говорит Сезар де ла Фуэнте-Нуньес, постдок MIT. «Систематически анализируя структуру и функцию этих пептидов, мы смогли настроить их свойства и активность».

Де ла Фуэнте-Нуньес является одним из ведущих авторов статьи, которая выходит в выпуске журнала «Nature Communications Biology» от 7 декабря. Тимоти Лу, адъюнкт-профессор электротехники, компьютерных наук и биологической инженерии в Массачусетском технологическом институте, и Вани Оливейра, адъюнкт-профессор Федерального университета ABC в Бразилии, также являются старшими авторами. Ведущим автором газеты является Марсело Дер Торосян Торрес, бывший приглашенный студент Массачусетского технологического института.

Ядовитые варианты
В рамках своей иммунной защиты многие организмы, в том числе люди, вырабатывают пептиды, которые могут убивать бактерии. Чтобы помочь бороться с появлением устойчивых к антибиотикам бактерий, многие ученые пытаются адаптировать эти пептиды в качестве потенциальных новых лекарств.

Пептид, на котором де ла Фуэнте-Нуньес и его коллеги сосредоточили свое внимание в этом исследовании, был выделен из осы, известной как Polybia paulista. Этот пептид достаточно мал - всего 12 аминокислот - и исследователи полагали, что было бы возможно создать некоторые варианты пептида и протестировать их, чтобы выяснить, могут ли они стать более сильнодействующими против микробов и менее вредными для человека.

«Это достаточно маленький пептид, и вы можете попытаться мутировать как можно больше аминокислотных остатков, чтобы попытаться выяснить, как каждый строительный блок способствует антимикробной активности и токсичности», - говорит де ла Фуэнте-Нуньес.

Как и многие другие антимикробные пептиды, считается, что этот яд, полученный из яда, убивает микробы, разрушая мембраны бактериальных клеток. Пептид имеет альфа-спиральную структуру, которая, как известно, сильно взаимодействует с клеточными мембранами.

На первом этапе своего исследования ученые создали несколько десятков вариантов исходного пептида, а затем измерили, как эти изменения повлияли на спиральную структуру пептидов и их гидрофобность, что также помогает определить, насколько хорошо пептиды взаимодействуют с мембранами. Затем они проверили эти пептиды против семи штаммов бактерий и двух грибов, что позволило соотнести их структуру и физико-химические свойства с их антимикробной активностью.

На основании выявленных ими структурно-функциональных связей исследователи разработали еще несколько десятков пептидов для дальнейшего тестирования. Они смогли идентифицировать оптимальный процент гидрофобных аминокислот и положительно заряженных аминокислот, а также идентифицировали кластер аминокислот, где любые изменения могли бы повлиять на общую функцию молекулы.

Борьба с инфекцией
Чтобы измерить токсичность пептидов, исследователи подвергли их воздействию эмбриональных клеток почек человека, выращенных в лабораторной посуде. Они отобрали наиболее перспективные соединения для тестирования у мышей, инфицированных Pseudomonas aeruginosa, распространенным источником инфекций дыхательных путей и мочевыводящих путей, и обнаружили, что некоторые из пептидов могут уменьшить инфекцию. Один из них, даваемый в высокой дозе, мог бы полностью ее устранить.

«Через 4 дня это соединение может полностью вылечить инфекцию, и это было довольно удивительно и захватывающе, потому что мы обычно не видим этого с другими экспериментальными противомикробными средствами или другими антибиотиками, которые мы тестировали в прошлом на этой конкретной модели мыши», де ла Фуэнте-Нуньес говорит.

Исследователи начали создавать дополнительные варианты, которые, как они надеются, смогут вылечить инфекции при более низких дозах. Де ла Фуэнте-Нуньес также планирует применить этот подход к другим типам встречающихся в природе антимикробных пептидов, когда он поступит на факультет Пенсильванского университета в следующем году.

«Я думаю, что некоторые из принципов, которые мы изучили здесь, могут быть применимы к другим подобным пептидам, которые получены из природы», - говорит он. «Такие вещи, как спиральность и гидрофобность, очень важны для многих из этих молекул, и некоторые из правил, которые мы здесь изучили, безусловно, можно экстраполировать».

Частично исследование финансировалось Фондом Рамона Ареса и Агентством по уменьшению угрозы обороны.