Identifying Multitargeting Inhibitors against Targets Involved in the Quorum-Sensing Pathway of Pseudomonas aeruginosa

Bacteriën zijn geen eenzame dwalers; het zijn sociale wezens die communiceren om hun gedrag te coördineren. Wanneer een populatie bacteriën dicht genoeg wordt, scheiden ze chemische signalen af die fungeren als een volkstelling, die elke cel in de groep vertelt hoeveel buren aanwezig zijn. Zodra een kritieke drempelwaarde is bereikt, schakelt de hele gemeenschap over op een collectief programma. In het geval van Pseudomonas aeruginosa, een veelvoorkomende en gevaarlijke bacterie, triggert deze schakeling de productie van toxines en de constructie van een beschermende slijmlaag die een biofilm wordt genoemd. Deze gecoördineerde aanval maakt de bacteriën ongelooflijk moeilijk te bestrijden, omdat de biofilm hen beschermt tegen antibiotica en het immuunsysteem. Decennialang hebben artsen geprobeerd deze bacteriën te doden met traditionele antibiotica, maar de microben zijn geëvolueerd om deze wapens te weerstaan, vaak door de medicijnen eruit te pompen of hun interne machinerie te veranderen. Wetenschappers zoeken nu naar een andere strategie: in plaats van te proberen de bacteriën te doden, willen ze hun gesprek stilleggen. Als de bacteriën niet kunnen communiceren, kunnen ze hun aanval niet organiseren en worden ze weer kwetsbaar.

De uitdaging bij deze aanpak is dat Pseudomonas aeruginosa niet op slechts één communicatiekanaal vertrouwt. Het gebruikt een complex netwerk van vier onderling verbonden signaleringssystemen, elk met zijn eigen set chemische boodschappers en ontvangers. Als een medicijn slechts één ontvanger blokkeert, kunnen de bacteriën simpelweg overschakelen naar een ander kanaal om te blijven praten, waardoor de behandeling nutteloos wordt. Om dit te overwinnen, hadden onderzoekers een manier nodig om het hele netwerk tegelijkertijd te verstoren. Een team wetenschappers aan het Indraprastha Institute of Information Technology in Delhi zette zich in om natuurlijke verbindingen te vinden die konden fungeraag als multitarget-remmers, wat betekent dat één enkel molecuul in staat is om meerdere delen van het bacteriële communicatiesysteem tegelijkertijd te blokkeren. Ze wenden zich tot een enorme digitale bibliotheek van chemische structuren afgeleid van Indiase medicinale planten, op zoek naar een speld in een hooiberg die de bacteriën in hun sporen kon stoppen.

De onderzoekers begonnen met het bouwen van een digitale kaart van het bacteriële communicatienetwerk. Ze identificeerden elf sleutelproteïnen die dienen als de ontvangers en verwerkers voor de vier verschillende signaleringssystemen. Omdat de fysieke structuren van sommige van deze proteïnen nog nooit in een laboratorium waren vastgelegd, gebruikte het team computermodellering om nauwkeurige driedimensionale replica's te construeren op basis van hun genetische blauwdrukken. Vervolgens namen ze een enorme collectie van bijna achttien duizend natuurlijke verbindingen uit de database van de Indian Medicinal Plants, Phytochemistry and Therapeutics en doorliepen ze een virtueel screeningsproces. Dit was als het testen van elke sleutel in een enorme sleutelbos tegen een complex slot met elf verschillende cilinders, zoekend naar sleutels die meer dan één slot tegelijk kunnen draaien. Het doel was om plant-afgeleide moleculen te vinden die zich stevig aan deze bacteriële eiwitten kunnen binden en hun functie kunnen verhinderen.

Uit deze enorme screening kwamen twee natuurlijke verbindingen als de meest veelbelovende kandidaten naar voren. De eerste was calamansanine, een type fenolische verbinding, en de tweede was clivimine, een alkaloïde. Beide moleculen toonden het vermogen om zich te binden aan acht verschillende doelwitten binnen het bacteriële communicatienetwerk. Om er zeker van te zijn dat deze bevindingen niet slechts een toevalstreffer van het computermodel waren, onderwierpen de onderzoekers de twee verbindingen aan rigoureuze tests met behulp van moleculaire dynamica-simulaties. Ze observeerden hoe de verbindingen interageerden met de bacteriële eiwitten over honderden miljoenen gesimuleerde stappen, waarbij ze keken of de bindingen standhielden of uit elkaar vielen. De resultaten toonden aan dat zowel calamansanine als clivimine stabiele, langdurige verbindingen vormden met de bacteriële doelwitten. Ze plakten niet alleen aan het oppervlak; ze nestelden zich in de actieve zakken van de eiwitten, waardoor de natuurlijke signalen die de bacteriën nodig hebben om hun aanval te coördineren, effectief werden geblokkeerd.

De studie ging dieper in om te begrijpen hoe deze moleculen vasthielden. Door de energie van de interacties te analyseren, vonden het team dat de verbindingen op hun plaats werden gehouden door een combinatie van elektrische krachten en fysiek contact met de eiwitoppervlakken. De simulaties onthulden dat de bacteriële eiwitten stabiel bleven en niet drastisch van vorm veranderden of uit elkaar vielen wanneer de verbindingen gebonden waren, wat suggereert dat de remmers hun werk deden zonder de eiwitstructuur zelf te vernietigen. Een van de eiwitten, PqsH, vertoonde iets meer flexibiliteit dan de anderen, maar zelfs dit bleef stevig gebonden. De onderzoekers controleerden ook het veiligheidsprofiel van deze verbindingen, waarbij ze keken naar hoe ze zich in het menselijk lichaam zouden gedragen. Ze vonden dat beide moleculen eigenschappen hadden die suggereerden dat ze door het lichaam geabsorbeerd konden worden en waarschijnlijk geen directe toxiciteit zouden veroorzaken, hoewel ze mogelijk niet gemakkelijk de barrière naar de hersenen kunnen passeren.

Hoewel de computersimulaties sterk bewijs leverden, merkten de onderzoekers er voorzichtig bij op dat deze resultaten momenteel beperkt zijn tot de digitale wereld. De studie toont aan dat deze natuurlijke verbindingen het theoretische potentieel hebben om krachtige antivirulentie-agentia te zijn, in staat om het complexe sociale netwerk van een drugresistente bacterie te verstoren. Het werk benadrukt de ongeëxploiteerde waarde van traditionele medicinale planten, en laat zien dat de natuur de sleutels kan bevatten voor het oplossen van moderne problemen zoals antibioticaresistentie. Het team concludeerde dat door meerdere delen van het bacteriële communicatiesysteem tegelijkertijd aan te pakken, het mogelijk is om te voorkomen dat de bacteriën biofilms vormen en toxines vrijgeven, wat een nieuwe weg biedt in de strijd tegen superbugs. Toekomstig werk zal nodig zijn om deze verbindingen in echte laboratoriumexperimenten te testen om te bevestigen dat ze de bacteriën in een levend systeem kunnen stoppen, maar de computermodellen hebben een duidelijk en overtuigend startpunt geboden voor deze nieuwe aanpak.