Engineering ArtE2, a polycationic peptide-fused Bacillus endolysin, expands antibacterial activity to Escherichia coli while retaining potency against Staphylococcus aureus
تُبلغ هذه الدراسة عن هندسة ArtE2، وهو متغير من إنزيم الاندولايسين المستخلص من بكتيريا *Bacillus altitudinis*، مدمج مع ببتيد متعدد الكاتيونات ومعدل جينياً، نجح في توسيع النشاط المضاد للبكتيريا ليشمل بكتيريا *Escherichia coli* مع الاحتفاظ بفعاليته ضد بكتيريا *Staphylococcus aureus*.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
على مدى عقود، اعتمدت المعركة ضد العدوى البكتيرية على ترسانة متناقصة من المضادات الحيوية، وهو وضع ازداد إلحاحاً مع تطور البكتيريا لمقاومة هذه الأدوية. ويكمن بديل واعد في صيادي الفيروسات الطبيعيين: العاثيات (البكتيريوفاج). تصيب هذه الفيروسات البكتيريا، وفي خطوتها الأخيرة من التكاثر، تطلق إنزيمات خاصة تسمى "الإندوليسينات" (endolysins). تعمل هذه الإنزيمات مثل مقصات جزيئية دقيقة، حيث تقطع جدار الخلية البكتيرية لتتحرر الفيروسات الجديدة. وبينما تعمل هذه المقصات ببراعة ضد العديد من البكتيريا، فإنها تواجه عقبة كبيرة عند محاولة مهاجمة مجموعة معينة تُعرف باسم البكتيريا سالبة الجرام (Gram-negative). تمتلك هذه الكائنات درعاً خارجياً إضافياً يحجب معظم الإندوليسينات من الوصول إلى هدفها، مما يجعل الإنزيمات الطبيعية غير فعالة ضدها. وقد سعى العلماء طويلاً لإيجاد طريقة لتعديل هذه الإنزيمات، ربما عن طريق إرفاق علامة صغيرة ذات شحنة موجبة يمكنها المساعدة في اختراق هذا الحاجز الخاري، وبالتالي توسيع نطاق وصولها ليشمل مسببات الأمراض الخطيرة سالبة الجرام مثل الإشريكية القولونية (Escherichia coli).
في دراسة حديثة، شرع الباحثون في اختبار هذه الفكرة عبر هندسة نسخة جديدة من إنزيم طبيعي. بدأوا بإنزيم مستخلص من بكتيريا تسمى "Bacillus altitudinis"، والتي علموا أنها فعالة بالفعل في تدمير المكورات العنقودية الذهبية (Staphylococcus aureus)، وهي بكتيريا شائعة موجبة الجرام. ولتحويل هذا الإنزيم إلى أداة قادرة على مهاجمة الإشريكية القولونية، أجرى الفريق تغييرين محددين. أولاً، قاموا بدمج سلسلة قصيرة مكونة من عشر أحماض أمينية في مقدمة الإنزيم. كانت هذه السلسلة غنية بالشحنات الموجبة، وصُممت لتعمل كمفتاح يمكنه التفاعل مع السطح سالب الشحنة للغشاء الخارجي للبكتيريا سالبة الجرام. ثانياً، أجروا تعديلين طفيفين على البنية الداخلية للإنزيم، عبر استبدال بعض وحدات البناء المحددة لتحسين قدرته على الإمساك بهدفه. وكانت النتيجة بروتيناً جديداً مهندساً أطلقوا عليه اسم ArtE2.
قام الباحثون بعد ذلك باختبار هذا الابتكار الجديد في المختبر. قاموا بتنمية مزارع لكل من الإشريكية القولونية والمكورات العنقودية الذهبية وعرضوها للبروتين. كانت النتائج مذهلة؛ فالإنزيم الأصلي غير المعدل لم يكن له أي تأثير يذكر على الإشريكية القولونية، وفشل في تقليل عدد البكتيريا الحية. في المقابل، أثبت البروتين المهندس ArtE2 فعالية عالية، حيث قلل تعداد الإشريكية القولونية بمقدار مليون ضعف خلال ساعة واحدة. والأهم من ذلك، أن البروتين الجديد لم يحتفظ بقوته الأصلية ضد المكورات العنقودية الذهبية فحسب، بل أدى أيضاً إلى انخفاض في أعداد البكتيريا المتبقية الناجية بعد المعال_ة مقارنة بالنسخة الطبيعية. كما لاحظ الفريق أن قدرة البروتين على قتل البكتيريا تعتمد على كمية وجوده ومدة تعرض البكتيريا له، مما يشير إلى وجود علاقة مباشرة وقابلة للتحكم بين العلاج والنتيجة.
ولفهم سبب نجاح هذا التصميم الجديد، نظر العلماء إلى سلوك البروتين باستخدام عمليات المحاكاة الحاسوبية. قاموا بنمذجة كيفية تفاعل البروتين مع الأجزاء التي تشكل جدار الخلية البكتيرية. وأشارت هذه المحاكاة إلى أن البروتين المهندس يرتبط بقوة أكبر بهذه الأجزاء مقارنة بالنسخة الأصلية، لا سيًا في ظل ظروف محددة تتضمن أيونات الكالسيوم ومستوى حموضة متعادل (pH). كما أظهرت النماذج الحاسوبية أن البروتين ظل مستقراً وحافظ على شكله جيداً تحت هذه الظروف، وهو ما يتوافق مع النتائج التجريبية التي أظهرت نشاطاً قوياً مضاداً للبكتيريا. ومع ذلك، فقد شدد الباحثون على أن هذه النماذج الحاسوبية هي تنبؤات وليست قياسات مباشرة لقوة الارتباط، وأن الآلية الدقيقة التي يخترق بها البروتين الغشاء الخارجي للبكتيريا سالبة الجرام لم تُلاحظ مباشرة في هذه الدراسة.
تخلص الدراسة إلى أن نهج الهندسة هذا قد نجح في توسيع نطاق إنزيم طبيعي ليشمل هدفاً صعباً من البكتيريا سالبة الجرام، مع الحفاظ على فعاليته ضد البكتيريا موجبة الجرام. ويقدم هذا العمل إثباتاً للمفهوم بأن تعديل هذه الإنزيمات باستخدام الببتيدات المشحونة والتعديلات الهيكلية الصغيرة يمكن أن يتغلب على الحواجز الطبيعية. ورغم أن النتائج واعدة، إلا أن المؤلفين أكدوا أن هذه كانت دراسة أولية استخدمت سلالات مخبرية قياسية من البكتيريا. واقترحوا أن الخطوة التالية هي اختبار هذا البروتين المهندس ضد مجموعة متنوعة من البكتيريا، بما في ذلك تلك المقاومة للمضادات الحيوية الحالية، لتحديد إمكاناته الكاملة كنوع جديد من العوامل المضادة للبكتيريا. وفي الوقت الحالي، يقدم البحث مساراً واضحاً للمضي قدماً: فمن خلال إعادة تصميم أدوات الطبيعة بعناية، قد يتمكن العلماء من خلق دفاعات جديدة ضد التهديد المتزايد للعدوى المقاومة للأدوية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.