Engineering ArtE2, a polycationic peptide-fused Bacillus endolysin, expands antibacterial activity to Escherichia coli while retaining potency against Staphylococcus aureus
यह अध्ययन ArtE2 की इंजीनियरिंग की रिपोर्ट करता है, जो कि *Bacillus altitudinis* एंडोलिसिन का एक पॉलीकेशनिक पेप्टाइड-फ्यूज्ड और उत्परिवर्तित (म्यूटेटेड) वेरिएंट है, जो *Staphylococcus aureus* के विरुद्ध प्रभावकारिता बनाए रखते हुए *Escherichia coli* के प्रति जीवाणुरोधी गतिविधि को सफलतापूर्वक विस्तारित करता है।
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द दशकों से, जीवाणु संक्रमण के खिलाफ लड़ाई एक घटते हुए एंटीबायोटिक्स के भंडार पर निर्भर रही है, एक ऐसी स्थिति जो और भी गंभीर होती जा रही है क्योंकि बैक्टीरिया इन दवाओं के प्रति प्रतिरोधी बनने के लिए विकसित हो रहे हैं। एक आशाजनक विकल्प प्रकृति के अपने वायरल शिकारियों में निहित है: बैक्टीरियोफेज (bacteriophages)। ये वायरस बैक्टीरिया को संक्रमित करते हैं और, अपने प्रजनन के अंतिम कार्य में, एंडोलिसिन (endolysins) नामक विशेष एंजाइम छोड़ते हैं। ये एंजाइम सटीक आणविक कैंचियों की तरह कार्य करते हैं, जो नए वायरसों को मुक्त करने के लिए बैक्टीरियल सेल वॉल (जीवाणु कोशिका भित्ति) को काटकर खोल देते हैं। जबकि ये कैंची कई बैक्टीरिया के खिलाफ शानदार काम करती हैं, उन्हें ग्राम-नेगेटिव (Gram-negative) बैक्टीरिया के एक विशिष्ट समूह पर हमला करने की कोशिश करते समय एक महत्वपूर्ण बाधा का सामना करना पड़ता है। इन जीवों के पास एक अतिरिक्त बाहरी ढाल होती है जो अधिकांश एंडोलिसिन को उनके लक्ष्य तक पहुँचने से रोकती है, जिससे प्राकृतिक एंजाइम उनके विरुद्ध अप्रभावी हो जाते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से इन एंजाइमों को संशोधित करने का एक तरीका खोज रहे थे, शायद एक छोटा, धनात्मक रूप से आवेशित (positively charged) टैग जोड़कर जो उन्हें इस बाहरी बाधा को भेदने में मदद कर सके, जिससे उनकी पहुंच एस्चेरिचिया कोलाई (Escherichia coli) जैसे खतरनाक ग्राम-नेगेटिव रोगजनकों तक भी बढ़ सके।
एक हालिया अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने एक प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले एंजाइम का नया संस्करण तैयार करके इस विचार का परीक्षण करने का निर्णय लिया। उन्होंने एक एंडोलिसिन से शुरुआत की जो बैसिलस अल्टिटुडिनेस (Bacillus altitudinis) नामक बैक्टीरिया से प्राप्त किया गया था, जिसे वे पहले से ही स्टैफिलोकोकस ऑरियस (Staphylococcus aureus), एक सामान्य ग्राम-पॉजिटिव बैक्टीरिया, को नष्ट करने में प्रभावी जानते थे। इस एंजाइम को ई. कोलाई (E. coli) पर हमला करने में सक्षम उपकरण में बदलने के लिए, टीम ने दो विशिष्ट परिवर्तन किए। सबसे पहले, उन्होंने एंजाइम के सामने एक छोटी, दस-अमीनो एसिड वाली श्रृंखला को जोड़ा। यह श्रृंखला धनात्मक आवेशों से समृद्ध है, जिसे एक ऐसी चाबी के रूप में डिजाइन किया गया है जो ग्राम-नेगेटिव बाहरी झिल्ली की ऋणात्मक रूप से आवेशित सतह के साथ परस्पर क्रिया कर सके। दूसरा, उन्होंने एंजाइम की आंतरिक संरचना में दो सूक्ष्म समायोजन किए, जिसमें विशिष्ट निर्माण खंडों (building blocks) को बदला गया ताकि संभावित रूप से इसके लक्ष्य को बेहतर तरीके से पकड़ बनाने में सुधार किया जा सके। परिणाम स्वरूप एक नया, इंजीनियर प्रोटीन प्राप्त हुआ जिसे उन्होंने आर्टई2 (ArtE2) नाम दिया।
शोधकर्ताओं ने इस नई रचना का प्रयोगशाला में परीक्षण किया। उन्होंने ई. कोलाई और स्टैफिलोकोकस ऑरियस दोनों के कल्चर उगाए और उन्हें इस प्रोटीन के संपर्क में लाया। परिणाम चौंकाने वाले थे। मूल, बिना संशोधित एंजाइम का ई. कोलाई पर लगभग कोई प्रभाव नहीं पड़ा, वह जीवित बैक्टीरिया की संख्या को कम करने में विफल रहा। इसके विपरीत, इंजीनियर आर्टई2 अत्यधिक प्रभावी सिद्ध हुआ, जिसने एक घंटे के भीतर ई. कोलाई की आबादी को दस लाख गुना कम कर दिया। महत्वपूर्ण रूप से, नए प्रोटीन ने स्टैफिलोकोकस ऑरियस के खिलाफ अपनी मूल शक्ति को बनाए रखा और उपचार के बाद जीवित बैक्टीरिया की संख्या भी प्राकृतिक संस्करण की तुलना में कम रही। टीम ने यह भी देखा कि प्रोटीन की बैक्टीरिया को मारने की क्षमता इस बात पर निर्भर थी कि उसकी कितनी मात्रा मौजूद है और बैक्टीरिया को कितनी देर तक इसके संपर्क में रखा गया, जो उपचार और परिणाम के बीच एक सीधा और नियंत्रणीय संबंध सुझाता है।
यह समझने के लिए कि यह नया डिज़ाइन क्यों काम कर रहा था, वैज्ञानिकों ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके प्रोटीन के व्यवहार का अध्ययन किया। उन्होंने मॉडल बनाया कि प्रोटीन बैक्टीरिया की कोशिका भित्ति बनाने वाले अंशों के साथ कैसे परस्पर क्रिया कर सकता है। इन सिमुलेशनों ने सुझाव दिया कि इंजीनियर प्रोटीन मूल संस्करण की तुलना में इन अंशों से अधिक मजबूती से जुड़ता है, विशेष रूप से कैल्शियम आयनों और एक तटस्थ pH स्तर से जुड़ी विशिष्ट स्थितियों के तहत। कंप्यूटर मॉडलों ने यह भी दिखाया कि प्रोटीन इन स्थितियों के तहत स्थिर रहता है और अपना आकार अच्छी तरह से बनाए रखता है, जो मजबूत जीवाणुरोधी गतिविधि दिखाने वाले प्रयोगात्मक परिणामों के अनुरूप है। हालांकि, शोधकर्ता सावधानी बरतते हुए यह नोट करते हैं कि ये कंप्यूटर मॉडल भविष्यवाणियां हैं, बंधन शक्ति (binding strength) का प्रत्यक्ष माप नहीं हैं, और ग्राम-नेगेटिव बैक्टीरिया की बाहरी झिल्ली को भेदने के सटीक तंत्र को इस अध्ययन में सीधे तौर पर नहीं देखा गया था।
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि इस इंजीनियरिंग दृष्टिकोण ने एक प्राकृतिक एंजाइम की सीमा को एक कठिन ग्राम-नेगेटिव लक्ष्य तक सफलतापूर्वक विस्तारित किया, जबकि ग्राम-पॉजिटिव बैक्टीरिया के प्रति इसकी प्रभावशीलता को बरकरार रखा। यह कार्य एक प्रमाण-अवधारणा (proof of concept) प्रदान करता है कि आवेशित पेप्टाइड्स और छोटे संरचनात्मक बदलावों के साथ इन एंजाइमों को संशोधित करना प्राकृतिक बाधाओं को पार कर सकता है। हालांकि परिणाम आशाजनक हैं, लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि यह बैक्टीरिया के मानक प्रयोगशाला उपभेदों (strains) का उपयोग करने वाला एक प्रारंभिक अध्ययन था। वे सुझाव देते हैं कि अगला कदम इस इंजीनियर प्रोटीन को बैक्टीरिया की एक विस्तृत श्रृंखला के खिलाफ परीक्षण करना है, जिसमें वे बैक्टीरिया भी शामिल हैं जो वर्तमान एंटीबायोटिक्स के प्रति प्रतिरोधी हैं, ताकि इसकी क्षमता को पूरी तरह से निर्धारित किया जा सके। फिलहाल, यह शोध एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है: प्रकृति के उपकरणों को सावधानीपूर्वक पुनर्गठित करके, वैज्ञानिक दवा-प्रतिरोधी संक्रमणों के बढ़ते खतरे के खिलाफ नए बचाव तंत्र बना सकते हैं।
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