In silico subtractive genomics and reverse vaccinology approach reveal outer membrane proteins OMP47 and LptD as dual-purpose drug and vaccine targets in Pasteurella multocida Pm70

Bacteriën zijn eencellige organismen die geëvolueerd zijn om te overleven in bijna elk milieu op aarde, inclusief binnen het menselijk lichaam. Hoewel velen onschadelijk of zelfs nuttig zijn, zijn sommige gevaarlijke pathogenen die ernstige ziekten veroorzaken. Wanneer deze schadelijke bacteriën ons infecteren, behandelen artsen hen doorgaans met antibiotica, medicijnen die ontworpen zijn om de bacteriën te doden of te stoppen met vermenigvuldigen. Echter, bacteriën zijn slim en aanpasbaar; in de loop van de tijd hebben veel van hen geleerd om deze medicijnen te weerstaan, waardoor standaardbehandelingen ineffectief worden. Deze groeiende resistentie maakt het vinden van nieuwe manieren om bacteriële infecties te bestrijden tot een van de meest urgente uitdagingen in de moderne geneeskunde. Om dit op te lossen, richten wetenschappers zich steeds vaker op computers om nieuwe medicijnen en vaccins te ontwerpen. In plaats van duizenden chemicaliën in een laboratorium te testen, gebruiken ze krachtige software om de volledige genetische code van een bacterie te scannen, op zoek naar specifieke zwakheden die gericht kunnen worden zonder de menselijke gastheer schade toe te brengen. Deze aanpak stelt onderzoekers in staat om de meest veelbelovende kandidaten voor nieuwe medicijnen en vaccins te identificeren voordat ze ooit een laboratorium binnenstappen.

Een bacterie genaamd Pasteurella multocida is een treffend voorbeeld van een pathogeen dat steeds moeilijker te behandelen wordt. Dit kiemtype leeft in de monden van veel dieren, met name katten en honden, en kan via beten of krassen aan mensen worden doorgegeven. Hoewel het vaak milde huidinfecties veroorzaakt, kan het leiden tot ernstige pneumonie, bloedinfecties en andere levensbedreigende aandoeningen, vooral bij mensen met een verzwakt immuunsysteem. Het probleem is dat deze bacterie resistent wordt tegen veel veelvoorkomende antibiotica, en er is momenteel geen vaccin goedgekeurd voor mensen om dit te voorkomen. Geconfronteerd met deze stijgende dreiging, gingen een team van onderzoekers op zoek naar nieuwe manieren om de bacteriën te stoppen met een methode die subtractieve genomics wordt genoemd. Dit proces is als een eliminatiespel: de wetenschappers beginnen met de volledige lijst van elk eiwit dat de bacterie produceert en verwijderen systematisch alle eiwitten die te veel lijken op eiwitten die in mensen worden gevonden. Het doel is om eiwitten te vinden die essentieel zijn voor het overleven van de bacterie maar uniek zijn voor het kiemtype, zodat een medicijn dat op hen gericht is de bacterie zou doden zonder de persoon schade toe te brengen.

Van de duizenden eiwitten in het genoom van Pasteurella multocida hebben de onderzoekers de lijst teruggebracht tot slechts 129 eiwitten die cruciaal zijn voor het leven van de bacterie en geen menselijke tegenhanger hebben. Vervolgens keken ze dieper en controleerden welke van deze 129 eiwitten zich op de buitenste schil van de bacterie bevinden, waardoor ze toegankelijk zijn voor medicijnen en het immuunsysteem. Dit rigoureuze filterproces verkleinde het veld tot twee specifieke eiwitten: een 47-kilodalton buitenmembraaneiwit, bekend als OMP47, en een eiwit genaamd LptD, dat fungeert als een bouwer voor de buitenwand van de bacterie. Deze twee eiwitten vielen op omdat ze niet alleen vitaal zijn voor het overleven van de bacterie, maar ook op het oppervlak zitten waar ze gemakkelijk bereikbaar zijn. De onderzoekers ontdekten dat OMP47 de bacterie helpt om aan oppervlakken te plakken en materialen over hun membraan te transporteren, terwijl LptD verantwoordelijk is voor het assembleren van de buitenste laag van de cel, een proces dat cruciaal is voor de structurele integriteit van de bacterie. Omdat deze eiwitten zo belangrijk zijn voor het leven van de bacterie en aan de buitenkant worden blootgesteld, vormen zij ideale doelwitten voor zowel nieuwe medicijnen als vaccins.

Om te zien of deze eiwitten ook als basis voor een vaccin zouden kunnen dienen, gebruikten het team computermodellen om te voorspellen hoe het menselijk immuunsysteem op hen zou reageren. Ze braken de twee eiwitten af in kleine fragmenten genaamd epitopen, wat de specifieke delen zijn die het immuunsysteem als vreemd herkent. De onderzoekers selecteerden de meest veelbelovende fragmenten—die waarschijnlijk een sterke immuunrespons zouden triggeren maar veilig zijn voor mensen, wat betekent dat ze niet toxisch zijn of waarschijnlijk allergische reacties veroorzaken. Vervolgens naaiien ze deze geselecteerde fragmenten samen, samen met een speciaal hulpmolecuul genaamd een adjuvans, om een enkel, op maat gemaakt vaccin-kandidaat te creëren. Dit nieuwe vaccin, bekend als een multi-epitoopvaccin, is een synthetisch construct dat volledig bestaat uit de meest effectieve delen van de bacteriële eiwitten, ontworpen om het immuunsysteem te leren de echte bacteriën te herkennen en te bestrijden.

De onderzoekers testten dit virtuele vaccin vervolgens met geavanceerde computersimulaties om te zien hoe het zou reageren. Ze modelleerden de driedimensionale vorm van het vaccin en controleerden de stabiliteit, waarbij ze bevestigden dat het goed bij elkaar bleef en de juiste chemische eigenschappen had om in een laboratorium geproduceerd te worden. Ze simuleerden hoe het vaccin zou interageren met het menselijke immuunsysteem, waarbij ze specifiek keken naar hoe het zou binden aan een belangrijke receptor genaamd TLR4, die fungeert als een alarmbel voor de lichaamsverdediging. De simulaties toonden een zeer sterke en stabiele verbinding tussen het vaccin en deze receptor, wat suggereert dat het het immuunsysteem effectief zou activeren. Bovendien voorspelden de computermodellen dat het lichaam na ontvangst van het vaccin een robuuste defensie zou produceren, inclusief de creatie van geheugencellen die de bacterie zouden onthouden en zouden bestrijden als deze in de toekomst opnieuw wordt tegengekomen. Het team bevestigde ook dat de genetische code voor dit vaccin gemakkelijk aangepast kan worden om in veelvoorkomende laboratoriumbacteriën te worden geproduceerd, wat de productie in grote hoeveelheden haalbaar maakt.

Hoewel deze bevindingen veelbelovend zijn, merken de onderzoekers er voorzichtig bij op dat dit werk momenteel een geavanceerde computersimulatie is. De studie heeft succesvol twee eiwitten geïdentificeerd die uitstekende kandidaten zijn voor medicijnontwikkeling en heeft een vaccin ontworpen dat er op papier perfect uitziet, maar deze resultaten zijn nog niet getest in levende cellen of dieren. De volgende stap zou zijn om het vaccin in een echt laboratorium te maken en te testen om te zien of het werkt zoals de computers hebben voorspeld. Als toekomstige experimenten deze resultaten bevestigen, zouden de twee geïdentificeerde eiwitten kunnen leiden tot nieuwe antibiotica die de huidige resistentie omzeilen, en het ontworome vaccin zou de eerste menselijke bescherming kunnen bieden tegen deze wijdverspreide en gevaarlijke infectie. Tot die tijd dient dit werk als een solide fundament, dat bewijst dat computerwetenschap effectief kan leiden bij de zoektocht naar nieuwe manieren om de menselijke gezondheid te beschermen tegen bacteriële bedreigingen.