Isolation and engineering of antimicrobial peptides targeting pathogenic Escherichia coli and Salmonella of poultry
本研究利用噬菌体展示技术和二代测序技术来分离并工程化改造能有效靶向家禽中致病性大肠杆菌和沙门氏菌的抗菌肽，证明了将筛选出的肽与抗菌素（Cathelicidin-BF）结合并在混合培养物中进行评估，可以增强其针对这些耐药细菌的效力和特异性。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
在农业领域，鸡群被大规模饲养以供养世界，但它们也容易受到细菌感染，这些感染会在禽群中迅速传播。其中最麻烦的两个元凶是埃希氏大肠杆菌（Escherichia coli）和沙门氏菌（Salmonella），这些细菌会导致禽类生病，并在某些情况下传染给人类。几十年来，农民一直依赖抗生素来控制这些感染，但细菌正在学会反击。它们正在进化出防御机制，使标准药物失效，这一问题被称为抗生素耐药性。这种耐药性是一场日益严重的危机，威胁着要让我们面临面对常见感染时无药可医的局面。科学家们现在正在寻找不依赖传统抗生素的新方法来杀死这些细菌。一个充满前景的方向涉及被称为抗菌肽的小型蛋白质片段。这些是存在于从植物到动物等许多生物体中的天然分子，通过在细菌细胞壁上打孔来发挥第一道防线的作用。虽然自然界提供了许多例子，但它们通常不稳定或难以大量生产，因此研究人员正在寻找从头设计更好、更有效版本的方法。
来自诺丁汉大学和ADAS的研究小组致力于寻找专门针对困扰家禽细菌的新型抗菌肽。他们没有尝试去猜测哪些化学结构可能有效，而是使用了一种称为噬菌体展示（physical display）的方法，这就像是一场大规模的自动化垂钓行动。他们创建了一个包含数十亿种微小病毒的库，每个病毒在其表面都携带一段独特的、随机的由十六个氨基酸（蛋白质的构建模块）组成的链。然后，他们将这个库暴露在目标细菌——大肠杆菌和沙门氏菌面前，让病毒粘附在细菌表面。通过洗掉那些没有结合的病毒并保留那些紧紧抓牢细菌的病毒，他们可以识别出哪些特定的氨基酸序列擅长抓取细菌。为了使这个过程更加精确，他们使用了一种强大的测序技术来读取存活下来的病毒的遗传密码，从而精准定位那些结合效果最成功的序列。
从这个庞大的候选池中，研究人员将目光缩小到了五十个显示出对目标细菌具有强烈粘附偏好的肽。随后，他们测试了这五十个候选者，以观察它们是否真的能杀死细菌，而不仅仅是粘附在上面。结果具有选择性但意义重大：五种肽表现出了在低浓度下抑制或杀死细菌的能力。一种名为GWG的肽脱颖而出，因为它对所有测试的革兰氏阴性细菌都有效，而其他一些肽仅在特定条件下表现出活性。研究人员还将这些新发现与一种已知且经过深入研究的肽——天鹅素-BF（Cathelicidin-BF）进行了比较，后者天然存在于鸟类体内，具有广谱抗菌特性。他们发现，尽管他们的新肽很有效，但天然的天鹅素-BF甚至更强效，能在极低的浓度下杀死细菌。
当研究人员观察这些肽在混合环境中的行为时，研究转向了一个有趣的环节。在现实世界中，细菌很少孤立存在；它们与其他物种一起生活在群落中。当研究人员在同时含有大肠杆菌和沙门氏菌的培养物中测试这些肽时，肽的行为发生了变化。天然的天鹅素-BF肽在单独测试时能同样有效地杀死两种细菌，但在混合培养物中，它突然变得具有高度选择性，更倾向于杀死大肠杆菌，而让沙门氏菌基本不受影响。这种转变表明，另一种细菌的存在可以改变另一种细菌对治疗的反应方式，这是科学家仅对细菌进行逐一测试时经常忽略的一个因素。
为了使这些肽更加有效，团队尝试了一种称为二聚化（dimerization）的策略，即通过将两个肽分子连接在一起形成一对。他们创建了新肽的配对，以及将新肽与天然天鹅素-BF结合的配对。结果显示，将分子连接在一起以意想不到的方式改变了它们的特性。在某些情况下，将它们连接在一起降低了抑制细菌生长的效果，但在其他情况下，这却显著提高了杀菌能力。例如，通过将新肽GWG与天鹅素-BF连接而成的配对，保留了在混合培养中选择性杀死大肠杆菌的能力，而这种特性在单分子中并不那么明显。这表明，通过简单地连接两种不同的肽，科学家可以微调它们的行为，从而创造出比其各自组成部分更精确或更强大的工具。
研究人员还通过测试这些新肽是否会损伤红细胞来观察其安全性，这是抗菌治疗中一个常见的担忧。大多数新肽即使在高浓度下也对血细胞造成极小的伤害。然而，其中一种新肽——GWG，确实表现出了破坏血细胞的能力，尽管将其连接成一对后减少了这种有害影响。这一发现凸显了药物开发中的一个关键平衡：在杀死细菌的同时不伤害宿主的需求。研究得出结论，将噬菌体展示的“垂钓法”与预测可能有效序列的计算机工具相结合，可以加速新疗法的发现。通过在混合细菌培养物中测试这些肽，并尝试将它们相互连接，该团队展示了一种创建对抗耐药细菌新武器的灵活方法，为保护家禽并进而保护人类健康提供了一条潜在的路径。
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