Isolation and engineering of antimicrobial peptides targeting pathogenic Escherichia coli and Salmonella of poultry
Diese Studie nutzt Phagen-Display und Next-Generation-Sequencing, um antimikrobielle Peptide zu isolieren und zu modifizieren, die pathogene *Escherichia coli* und *Salmonella* in Geflügel effektiv bekämpfen, wobei gezeigt wird, dass die Kombination ausgewählter Peptide mit Cathelicidin-BF und deren Evaluierung in Mischkulturen die Potenz und Spezifität gegen diese resistenten Bakterien steigern kann.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
In der Welt der Landwirtschaft werden Hühner in riesigen Mengen gezüchtet, um die Welt zu ernähren, aber sie sind auch anfällig für bakterielle Infektionen, die sich schnell in einer Herde ausbreiten können. Zwei der problematischsten Übeltäter sind Escherichia coli und Salmonella, Bakterien, die Vögel krank machen können und in einigen Fällen auch auf Menschen übergehen können. Seit Jahrzehnten verlassen sich Landwirte auf Antibiotika, um diese Infektionen in Schach zu halten, aber die Bakterien lernen, sich zur Wehr zu setzen. Sie entwickeln Abwehrmechanismen, die Standardmedikamente wirkungslos machen – ein Problem, das als antimikrobielle Resistenz bekannt ist. Diese Resistenz ist eine wachsende Krise, die droht, uns ohne wirksame Behandlungen für häufige Infektionen zurückzulassen. Wissenschaftler suchen nun nach neuen Wegen, um diese Bakterien zu töten, die nicht auf traditionelle Antibiotika angewiesen sind. Ein vielversprechender Weg führt über winzige Proteinfragmente, die antimikrobielle Peptide genannt werden. Dies sind natürlich vorkommende Moleküle, die in vielen Lebewesen, von Pflanzen bis zu Tieren, zu finden sind und als erste Verteidigungslinie fungieren, indem sie Löcher in die bakteriellen Zellwände schlagen. Während die Natur viele Beispiele liefert, sind diese oft instabil oder lassen sich nur schwer in großen Mengen produzieren, weshalb Forscher nach Wegen suchen, bessere, effektivere Versionen von Grund auf neu zu entwerfen.
Ein Forschungsteam der University of Nottingham und ADAS setzte sich zum Ziel, neue antimikrobielle Peptide zu finden, die speziell auf die die Geflügelwirtschaft plagenden Bakterien abzielen. Anstatt zu versuchen zu erraten, welche chemischen Strukturen funktionieren könnten, verwendeten sie eine Methode namens Phagen-Display, die wie eine massive, automatisierte Angelaktion funktioniert. Sie erstellten eine Bibliothek, die Milliarden winziger Viren enthielt, von denen jedes eine einzigartige, zufällige Kette aus sechzehn Aminosäuren – den Bausteinen von Proteinen – auf seiner Oberfläche trägt. Sie setzten diese Bibliothek dann den Zielbakterien, E. coli und Salmonella, aus und ließen die Viren an den bakteriellen Oberflächen haften. Indem sie die Viren wegwuschen, die nicht banden, und nur diejenigen behielten, die sich festgesetzt hatten, konnten sie identifizieren, welche spezifischen Aminosäureketten gut darin waren, die Bakterien zu greifen. Um diesen Prozess noch präziser zu gestalten, nutzten sie eine leistungsstarke Sequenzierungstechnik, um den genetischen Code der Viren zu lesen, die die Wäsche überlebten, und so die exakten Sequenzen zu bestimmen, die beim Binden am erfolgreichsten waren.
Aus diesem riesigen Pool an Kandidaten verengten die Forscher ihren Fokus auf siebenundfünfzig Peptide, die eine starke Vorliebe dafür zeigten, an die Zielbakterien zu binden. Sie testeten diese siebenundfünfzig Kandidaten dann darauf, ob sie die Bakterien tatsächlich töten konnten und nicht nur an ihnen hafteten. Die Ergebnisse waren selektiv, aber signifikant: Fünf der Peptide zeigten die Fähigkeit, die Bakterien bei niedrigen Konzentrationen zu hemmen oder zu töten. Ein Peptid namens GWG stach hervor, da es gegen alle getesteten gramnegativen Bakterien wirksam war, während andere nur unter spezifischen Bedingungen aktiv waren. Die Forscher verglichen ihre neuen Erkenntnisse auch mit einem bekannten, gut untersuchten Peptid namens Cathelicidin-BF, das natürlich in Vögeln vorkommt und breite antibakterielle Eigenschaften besitzt. Sie fanden heraus, dass ihre neuen Peptide zwar wirksam waren, das natürliche Cathelicidin-BF jedoch noch potenter war und die Bakterien bei viel niedrigeren Konzentrationen abtötete.
Die Studie nahm eine interessante Wendung, als die Forscher untersuchten, wie sich diese Peptide in gemischten Umgebungen verhalten. In der realen Welt existieren Bakterien selten isoliert; sie leben in Gemeinschaften mit anderen Arten. Als die Forscher die Peptide in Kulturen testeten, die sowohl E. coli als auch Salmonella gemeinsam enthielten, änderte sich das Verhalten der Peptide. Das natürliche Cathelicidin-BF-Peptid, das beide Arten von Bakterien bei Einzeltests gleichermaßen gut abtötete, wurde in der Mischkultur plötzlich viel selektiver und bevorzugte es, E. coli zu töten, während es Salmonella weitgehend unberührt ließ. Diese Verschiebung deutet darauf hin, dass die Anwesenheit einer bakteriellen Spezies die Reaktion einer anderen Spezies auf eine Behandlung verändern kann – ein Faktor, der oft übersehen wird, wenn Wissenschaftler Bakterien nur einzeln testen.
Um diese Peptide noch effektiver zu machen, versuchte das Team eine Strategie namens Dimerisierung, bei der zwei Peptidmoleküle miteinander verbunden werden, um ein Paar zu bilden. Sie erstellten Paare der neuen Peptide sowie Paare, die ein neues Peptid mit dem natürlichen Cathelicidin-BF kombinierten. Die Ergebnisse zeigten, dass das Verknüpfen der Moleküle ihre Eigenschaften auf überraschende Weise veränderte. In einigen Fällen führte das Verbinden der Moleküle dazu, dass sie weniger effektiv darin waren, das Bakterienwachstum zu stoppen, in anderen Fällen machte es sie jedoch wesentlich besser darin, die Bakterien zu töten. Beispielsweise behielt ein Paar, das durch die Verknüpfung des neuen Peptids GWG mit Cathelicidin-BF gebildet wurde, die Fähigkeit, E. coli in Mischkulturen selektiv zu töten – eine Eigenschaft, die bei den Einzelmolekülen weniger ausgeprägt war. Dies deutet darauf hin, dass Wissenschaftler durch das einfache Verbinden zweier verschiedener Peptide ihr Verhalten feinabstimmen können, was potenziell Werkzeuge schafft, die präziser oder leistungsfähiger sind als jedes der Stücke für sich allein.
Die Forscher untersuchten auch die Sicherheit dieser neuen Peptide, indem sie testeten, ob sie rote Blutkörperchen schädigen würden, ein häufiges Bedenken bei antibakteriellen Behandlungen. Die meisten der neuen Peptide zeigten nur sehr wenig Schaden an den Blutzellen, selbst bei hohen Konzentrationen. Jedoch zeigte ein neues Peptid, GWG, eine gewisse Fähigkeit, Blutzellen zu schädigen, wobei die Verknüpfung zu einem Paar diesen schädlichen Effekt verringerte. Dieser Befund unterstreicht ein entscheidendes Gleichgewicht in der Arzneimittelentwicklung: die Notwendigkeit, Bakterien zu töten, ohne den Wirt zu verletzen. Die Studie kam zu dem Schluss, dass die Kombination der Phagen-Display-Angelmethode mit Computerwerkzeugen zur Vorhersage, welche Sequenzen funktionieren könnten, die Entdeckung neuer Behandlungen beschleunigen könnte. Durch das Testen der Peptide in gemischten Bakterienkulturen und das Experimentieren mit deren Verknüpfung demonstrierte das Team einen flexiblen Ansatz zur Schaffung neuer Waffen gegen resistente Bakterien und bot damit einen potenziellen Weg nach vorn, um das Geflügel und damit auch die menschliche Gesundheit zu schützen.
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