Isolation and engineering of antimicrobial peptides targeting pathogenic Escherichia coli and Salmonella of poultry
Deze studie maakt gebruik van phage display en next-generation sequencing om antimicrobiële peptiden te isoleren en te modificeren die effectief pathogene *Escherichia coli* en *Salmonella* in pluimvee bestrijden, waarbij wordt aangetoond dat het combineren van geselecteerde peptiden met Cathelicidin-BF en het evalueren ervan in gemengde culturen de potentie en specificiteit tegen deze resistente bacteriën kan vergroten.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
In de wereld van de landbouw worden kippen in enorme aantallen gekweekt om de wereld te voeden, maar ze zijn ook kwetsbaar voor bacteriële infecties die zich snel door een koppel kunnen verspreiden. Twee van de meest problematische boosdoeners zijn Escherichia coli en Salmonella, bacteriën die vogels ziek kunnen maken en in sommige gevallen ook naar mensen kunnen overgaan. Decennialang hebben boeren vertrouwd op antibiotica om deze infecties in toom te houden, maar de bacteriën leren terug te vechten. Ze ontwikkelen verdedigingsmechanismen die standaardmedicijnen nutteloos maken, een probleem dat bekend staat als antimicrobiële resistentie. Deze resistentie is een groeiende crisis die dreigt ons zonder effectieve behandelingen voor veelvoorkomende infecties achter te laten. Wetenschappers zoeken nu naar nieuwe manieren om deze bacteriën te doden die niet afhankelijk zijn van traditionele antibiotica. Een veelbelovende weg betreft minuscule eiwitfragmenten die antimicrobiële peptiden worden genoemd. Dit zijn van nature voorkomende moleculen die in veel levende wezens voorkomen, van planten tot dieren, en die fungeren als een eerste verdedigingslinie door gaten te slaan in bacteriële celwanden. Hoewel de natuur veel voorbeelden biedt, zijn ze vaak instabiel of moeilijk in grote hoeveelheden te produceren, dus zoeken onderzoekers naar manieren om betere, effectievere versies vanaf nul te ontwerpen.
Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Nottingham en ADAS zette zich in om nieuwe antimicrobiële peptiden te vinden die specifiek zijn ontworkt om de bacteriën te bestrijden die de pluimvee teisteren. In plaats van te proberen te raden welke chemische structuren zouden kunnen werken, gebruikten ze een methode genaamd fagen-display, wat werkt als een enorme, geautomatiseerde visvangst. Ze creëerden een bibliotheek met miljarden minuscule virussen, die elk een unieke, willekeurige reeks van zestien aminozuren — de bouwstenen van eiwitten — op hun oppervlak dragen. Vervolgens stelden ze deze bibliotheek bloot aan de doelbacteriën, E. coli en Salmonella, waarbij de virussen aan de bacteriële oppervlakken bleven plakken. Door de virussen weg te wassen die niet bonden en alleen degenen te behouden die zich vastklampten, konden ze identificeren welke specifieke aminozuursequenties goed waren in het grijpen van de bacteriën. Om dit proces nog nauwkeuriger te maken, gebruikten ze een krachtige sequencingtechniek om de genetische code van de overlevende virussen te lezen, waardoor ze de exacte sequenties konden aanwijzen die het meest succesvol waren in het binden.
Vanuit deze enorme pool van kandidaten vernauwden de onderzoekers hun focus tot zevenentwintig peptiden die een sterke voorkeur vertoonden voor het plakken aan de doelbacteriën. Ze testten deze zevenentwintig kandidaten vervolgens om te zien of ze de bacteriën daadwerkelijk konden doden, en niet alleen aan hen konden plakken. De resultaten waren selectief maar significant: vijf van de peptiden vertoonden het vermogen om de bacteriën te remmen of te doden bij lage concentraties. Eén peptide, genaamd GWG, viel op omdat het effectief was tegen alle geteste Gram-negatieve bacteriën, terwijl anderen alleen onder specifieke omstandigheden actief waren. De onderzoekers vergeleken hun nieuwe bevindingen ook met een bekend, goed bestudeerd peptide genaamd Cathelicidine-BF, dat van nature in vogels voorkomt en brede antibacteriële eigenschappen heeft. Ze ontdekten dat hoewel hun nieuwe peptiden effectief waren, het natuurlijke Cathelicidine-BF nog krachtiger was en de bacteriën doodde bij veel lagere concentraties.
De studie nam een interessante wending toen de onderzoekers keken naar hoe deze peptiden zich gedroegen in gemengde omgevingen. In de echte wereld bestaan bacteriën zelden in isolatie; ze leven in gemeenschappen met andere soorten. Wanneer de onderzoekers de peptiden testten in culturen die zowel E. coli als Salmonella samen bevatten, veranderde het gedrag van de peptiden. Het natuurlijke Cathelicidine-BF-peptide, dat beide typen bacteriën even goed doodde wanneer ze afzonderlijk werden getest, werd plotseling veel selectiever in de gemengde cultuur, waarbij het een voorkeur had om E. coli te doden terwijl de Salmonella grotendeels ongemoeid bleef. Deze verschuiving suggereert dat de aanwezigheid van de ene bacteriële soort de reactie van een andere soort op een behandeling kan veranderen, een factor die vaak wordt gemist wanneer wetenschappers bacteriën slechts één voor één testen.
Om deze peptiden nog effectiever te maken, probeerde het team een strategie genaamd dimerisatie, wat inhoudt dat twee peptide-moleculen aan elkaar worden gekoppeld om een paar te vormen. Ze creëerden paren van de nieuwe peptiden, evenals paren die een nieuw peptide combineerden met het natuurlijke Cathelicidine-BF. De resultaten toonden aan dat het samenvoegen van de moleculen hun eigenschappen op verrassende manieren veranderde. In sommige gevallen maakte het koppelen van de moleculen ze minder effectief in het stoppen van de bacteriële groei, maar in andere gevallen maakte het ze juist veel beter in het doden van de bacteriën. Zo behield een paar dat werd gevormd door het nieuwe peptide GWG met Cathelicidine-BF te koppelen, het vermogen om selectief E. coli te doden in gemengde culturen, een eigenschap die bij de afzonderlijke moleculen minder uitgesproken was. Dit suggereert dat door simpelweg twee verschillende peptiden met elkaar te verbinden, wetenschappers hun gedrag kunnen verfijnen, wat potentieel instrumenten creëert die preciezer of krachtiger zijn dan elk onderdeel afzonderlijk.
De onderzoekers keken ook naar de veiligheid van deze nieuwe peptiden door te testen of ze rode bloedcellen zouden beschadigen, een veelvoorkomend punt van zorg bij antibacteriële behandelingen. De meeste van de nieuwe peptiden vertoonden zeer weinig schade aan bloedcellen, zelfs bij hoge concentraties. Echter, één van de nieuwe peptiden, GWG, vertoonde wel een vermogen om bloedcellen te beschadigen, hoewel het koppelen ervan tot een paar dit schadelijke effect verminderde. Deze bevinding benadrukt een cruciale balans in de ontwikkeling van geneesmiddelen: de noodzaak om bacteriën te doden zonder de gastheer te schaden. De studie concludeerde dat het combineren van de fagen-display-methode met computertools om te voorspellen welke sequenties zouden kunnen werken, de ontdekking van nieuwe behandelingen zou kunnen versnellen. Door de peptiden in gemengde bacteriële culturen te testen en te experimenteren met het koppelen van deze moleculen, toonde het team een flexibele aanpak aan voor het creëren van nieuwe wapens tegen resistente bacteriën, wat een potentieel pad biedt voor de bescherming van de pluimvee en, bij uitbreiding, de menselijke gezondheid.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.