Engineering ArtE2, a polycationic peptide-fused Bacillus endolysin, expands antibacterial activity to Escherichia coli while retaining potency against Staphylococcus aureus
本研究は、*Staphylococcus aureus*に対する活性を維持しつつ、*Escherichia coli*への抗菌活性の拡大に成功した、*Bacillus altitudinis*由来エンドリシンの多カチオン性ペプチド融合および変異改変体であるArtE2の工学的設計について報告する。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
何十年もの間、細菌感染症との戦いは、減少の一途をたどる抗生物質の武器に依存してきましたが、細菌がこれらの薬剤に対して耐性を獲得するように進化するにつれ、この状況はますます切迫したものとなっています。有望な代替案は、自然界自身のウイルスハンターであるバクテリオファージにあります。これらのウイルスは細菌に感染し、その最後の生殖活動において、エンドリシンと呼ばれる特殊な酵素を放出します。これらの酵素は精密な分子のハサミのように機能し、新しいウイルスを放出するために細菌の細胞壁を切り開きます。これらのハサミは多くの細菌に対して見事に機能しますが、グラム陰性菌として知られる特定のグループを攻撃しようとする際に、大きな障害に直面します。これらの生物は、ほとんどのエンドリシンが標的に到達するのをブロックする追加の外層シールドを持っており、天然の酵素をそれらに対して無効にしてしまうのです。科学者たちは、この酵素を修正する方法、おそらくは、この外層の障壁を突き破るのを助けるような小さな正電荷を持つタグを取り付けることで、エシェリヒア・コリ（大腸菌）のような危険なグラム陰性病原体を含むようにその到達範囲を広げる方法を長年模索してきました。
最近の研究で、研究者たちはこのアイデアを検証するために、天然に存在する酵素の新しいバージョンを設計するという試みに着手しました。彼らは、すでに一般的なグラム陽性菌であるスタフィロコッカス・アウレウス（黄色ブドウ球菌）を破壊するのに有効であることを知っていた、バシラス・アルティトゥディニスという細菌由来のエンドリシンから出発しました。この酵素を大腸菌を攻撃できるツールへと変貌させるために、チームは2つの特定の変更を行いました。第一に、酵素の前面に、10個のアミノ酸からなる短い鎖を融合させました。この鎖は正電荷が豊富であり、グラム陰性の外膜の負電荷を持つ表面と相互作用できる鍵として機能するように設計されています。第二に、標的にどのように掴みつくかを改善する可能性を持たせるため、酵素の内部構造に2つの小さな調整を行い、特定の構成要素を入れ替えました。その結果、彼らはArtE2と名付けた新しい設計されたタンパク質を生み出しました。
研究者たちは、この新しい創造物を実験室でテストしました。彼らは大腸菌とスタフィロコッカス・アレウスの両方の培養液を育て、そのタンパク質に曝露させました。結果は驚くべきものでした。元の未修飾の酵素は、大腸菌に対してほとんど効果がなく、生存している細菌の数を減少させることに失敗しました。対照的に、設計されたArtE2は非常に効果的であり、1時間以内に大腸菌の個体数を100万分の1に減少させました。決定的なことに、この新しいタンパク質は、スタフィロコッカス・アレウスに対する本来の力を保持していただけでなく、天然バージョンと比較して、処理後の生存細菌の残存数も低くなりました。チームはまた、タンパク質の細菌を殺す能力が、それが存在する量と細菌に曝露された時間に依存することを確認しており、これは治療と結果の間の直接的かつ制御可能な関係を示唆しています。
なぜこの新しい設計が機能したのかを理解するために、科学者たちはコンピュータシミュレーションを用いてタンパク質の挙動を調べました。彼らは、タンパク質が細菌の細胞壁を構成する断片とどのように相互作用するかをモデル化しました。これらのシミュレーションは、設計されたタンパク質が、特にカルシウムイオンと中性pHが関わる特定の条件下において、元のバージョンよりもこれらの断片に強く結合することを示唆しました。コンピュータモデルはまた、タンパク質がこれらの条件下で安定しており、その形状をよく維持していることを示しており、これは強い抗菌活性を示す実験結果と一致しています。しかし、研究者たちは、これらのコンピュータモデルは予測であり、結合強度の直接的な測定ではないこと、また、タンパク質がグラム陰性細菌の外膜を突破する正確なメカニズムは、本研究において直接観察されたものではないことを注意深く記しています。
本研究は、このエンジニアリングのアプローチが、天然の酵素の範囲を、困難なグラム陰性の標的に対して拡張すると同時に、グラム陽性菌に対する有効性を維持することに成功したと結論付けています。この作業は、電荷を持つペプチドと小さな構造的微調整によってこれらの酵素を修飾することが、天然の障壁を克服できるという概念実証を提供しています。結果は有望ですが、著者らは、これが標準的な実験室用細菌を用いた予備的な研究であることを強調しています。彼らは、次のステップとして、設計されたタンパク質を、現在の抗生物質に対して耐性を持つものを含む、より幅広い種類の細菌に対してテストし、新しいタイプの抗菌剤としての潜在能力を完全に判断することを提案しています。現時点では、この研究は明確な進むべき道を示しています。自然の道具を注意深く再設計することで、科学者は薬物耐性感染症という増大する脅威に対する新しい防御策を作り出すことができるかもしれません。
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