Nanomaszyny i wirusy zamiast antybiotyków?

W świecie, gdzie coraz więcej chorób bakteryjnych uodparnia się na klasyczne terapie antybiotykowe coraz większa liczba badaczy szuka sposobów, które mogłyby je zastąpić. Przyjrzyjmy się bliżej kilku z nich.


Nanomaszyny i wirusy zamiast antybiotyków?

Omawiając wirusy na lekcji biologii lub na studiach ciężko nie natknąć się na schemat bakteriofaga. Są to cząstki infekcyjne o dosyć skomplikowanej strukturze. W dużym uproszczeniu składają się z dwudziestościennej główki zawierającej materiał genetyczny zazwyczaj w postaci dwuniciowego DNA albo RNA, kołnierza zaopatrzonego we włókienka białkowe, helikalnie zwiniętej pochewki i płytki podstawowej.

W momencie, gdy płytka podstawowa razem z włókienkami białkowymi przylgnie do błony, materiał genetyczny wirusa jest wyrzucany z główki przez ogonek i dostaje się do komórki. Naukowcy uważają, że w główce poddany jest on ciśnieniu 30 atmosfer, czyli aż 30 razy większemu niż w powietrzu. Badania sugerują, że DNA opuszcza faga pod wpływem tego ciśnienia, ale istnieją również silne przesłanki na udział dyfuzji i dodatkowej energii obecnej w komórce bakteryjnej w przebiegu tego procesu. W gruncie rzeczy nie wiadomo, czy da się uogólnić mechanizm wnikania fagowego chromosomu do komórki bakteryjnej z racji, że różne bakteriofagi mają różne chromosomy różniące się typem kwasu nukleinowego, polarnością, jak i stopniem jego upakowania. Wiadomo, że koniec, który pierwszy opuszcza ogonek musi być z nim połączony już wewnątrz główki.

Grafika przedstawiająca przykładowego bakteriofaga, źródło: bacteriophage.news

Wirusy te infekują praktycznie wszystkie grupy prokariotów. Dodatkowo każda taka cząstka powoduje śmierć bakterii, jeśli wejdzie w cykl lityczny, tzn. kończący się lizą (rozpadem) komórki. Z tego powodu już od dawna opracowuje się terapie chorób wywołanych przez antybiotykooporne szczepy, np. Pseudomonas aeruginosa czy Mycobacterium tuberculosis.

Terapia fagowa mimo wielu zalet posiada także sporo wad. Należą do nich m.in. immunogenność samych wirusów, nieprzewidywalna farmakokinetyka - ciężko przewidzieć, czy bakteriofag dotrze do docelowej tkanki; liza (rozpuszczenie) komórek bakteryjnych spowoduje uwolnienie endotoksyn i dalsze wzmaganie się stanu zapalnego. Masowe stosowanie takiego sposobu leczenia będzie skutkowało coraz szerszym występowaniem szczepów odpornych na danego wirusa tak jak teraz ma to miejsce w przypadku antybiotyków.Naukowcy z USA (1) odkryli niedawno, że podobną strukturę do wirusowej pochewki mają niektóre toksyny bakteryjne z grupy bakteriocyn. Nie posiadają DNA, więc ich funkcja jest inna niż ogonka bakteriofagów. Zacznijmy od ich klasyfikacji:

Modele piocyny R Pseudomonas aeruginosa, autorzy: Maarten G.K. Ghequire, René De Mot

Bakteriocyny dzielimy w pierwszej kolejności ze względu na rodzaj bakterii, przez które są wydzielane. Mamy dwie duże grupy bakteriocyn - te wydzielane przez bakterie Gram-ujemne i Gram-dodatnie. W pierwszej możemy znaleźć mikrocyny, które są bardzo małymi białkami i peptydami podobnymi strukturalnie do sideroforów (kompleksów związków organicznych zawierających metal) używanych do pobierania żelaza przez bakterie konkurujące z Escherichia coli. To podobieństwo pozwala im przyłączać się do komórek w miejscu wiązania tych nośników i uniemożliwić konkurentom syntezę białek z jonem żelaza oraz utlenianie tego metalu w przebiegu chemosyntezy.

Kolejną grupą bakteriocyn bakterii Gram-ujemnych są kolicyny. Ich działanie polega na wiązaniu się do receptorów błonowych, co powoduje depolaryzację błony, niszczenie DNA i RNA lub zatrzymanie syntezy mureiny budującej ścianę komórki. Zazwyczaj też składają się z 3 podjednostek. Ostatnia kategoria bakteriocyn to tzw. tailocyny, do których zaliczamy między innymi piocyny Pseudomonas aeruginosa. Białka te mają zwykle kształt fagowej pochewki, czyli długiej, złożonej z helis alfa rurki.

Naukowcy z University of California zobrazowali piocynę R dzięki mikroskopii krioelektronowej w formie skurczonej i rozkurczonej. Każda toksyna tego typu składa się z trzech elementów: kołnierzyka, pnia i płytki podstawowej z włókienkami ogonka. Badacze po wykonaniu obrazowania połączyli wszystkie trzy elementy w jeden i stworzyli symulację opisującą dynamikę skurczy piocyny R.

Bakteriocyny bakterii gram-dodatnich dzielą się na cztery klasy: do pierwszej należą małe peptydy mające aktywność inhibitorów różnych enzymów lub receptorów, do drugiej niewielkie białka odporne na wysokie temperatury i część z nich jest stosowana w terapii zakażeń bakterią Listeria monocytogenes. Kolejna kategoria bakteriocyn to duże białka, z których część to tzw. bakteriolizyny rozpuszczające ścianę komórkową, a reszta zmienia potencjał elektryczny błony. Do ostatniej klasy należą złożone białka zawierające w swojej strukturze cukry lub lipidy i niszczące błony bakteryjne.

Potencjalna terapia tymi toksynami byłaby prawdopodobnie bardzo kosztowna ze względu na wysokie koszty przemysłowej syntezy tych białek, dodatkowo niezbędne byłoby stworzenie efektywnego sposobu dostarczania ich do tkanek z racji tego, że są podatne na proteolizę (hydroliza wiązań peptydowych katalizowana enzymatycznie przez proteazy).

Wspomniałem wcześniej o odkryciu naukowców z University of California. Po zobrazowaniu białka piocyny R wykonali oni symulację jej działania. Pokazała ona, że receptory obecne na włókienkach ogonka rozpoznają specyficzne ligandy na powierzchniach targetowanych bakterii. Badacze sugerują, że siły ścinające przenoszone na włókienka mogą inicjować skurcz płytki podstawowej. Pochewka składała się z czterech helis alfa i jej struktura jest konserwatywna.

Kolejnym środkiem antybakteryjnym stosowanym jako zamiennik klasycznych antybiotyków są lizyny. Produkują je bakteriofagi a same enzymy mają aktywność hydrolaz, tzn. przeprowadzają hydrolizę mureiny. Dzięki takiemu sposobowi działania rozpuszczają ścianę komórkową w wybranych miejscach tworząc dziury i w konsekwencji zabijając bakterie. Może się wydawać, że to świetny sposób, by zwalczać groźne infekcje, aczkolwiek przemysłowa produkcja tych enzymów byłaby bardzo kosztowna, a w konsekwencji niewiele osób byłoby na nie stać. Kolejny problem to, że na razie nadal nie wiemy zbyt dużo na temat toksyczności i specyficznych reakcji tych białek.

Inną alternatywą jest kompleks CRISPR/Cas9. Ta nanomaszyna to endonukleaza DNA (enzym hydrolizujący wiązania fosfodiestrowe, czyli w uproszczeniu tnący DNA) związana z RNA pełniąca u bakterii Streptococcus pyogenes podobną funkcję co układ odpornościowy u zwierząt. RNA obecne w tym białku wiąże się z konkretną sekwencją w DNA bakteriofaga i wycina ją, dezaktywując patogen. Część naukowców uważa, że można by wykorzystać ten sposób do walki z lekoopornymi szczepami bakterii, a także z wirusami. Wadą tego typu terapii jest wysoki koszt produkcji na szeroką skalę i potencjalna toksyczność całego kompleksu, nie możemy w końcu zapominać, że pochodzi on od ludzkiego patogenu.

.

Grafika CRISPR/Cas9, źródło: https://www.europeanscientist.com/

Następną metodą zwalczania infekcji jest stosowanie probiotyków, czyli specyfików zawierających żywe kultury bakterii potrzebnych w danej części ciała. Najszerzej rozpowszechnione zostały w przemyśle spożywczym jako swego rodzaju suplementy diety, ale mogą być używane również do leczenia poważniejszych schorzeń.

Przykładowo w 2013 zespół naukowców z Centro Regional do Porto da Universidade Católica Portuguesa (2) odkrył, że niektóre szczepy z Lactobacillus acidophilus i L. rhamnosus, które wytwarzały nadtlenek wodoru, przywracały odczyn pochwy kobiet cierpiących na bakteryjne zapalenie tego narządu do normalnego stanu, co ograniczało rozwój patogenów. Dodatkowo leczenie probiotykami jest stosunkowo tanie i praktycznie każdy mógłby sobie na nie pozwolić.

Lactobacillus acidophilus, źródło: alibaba.com

Ostatnim rodzajem terapii jest zastosowanie przeciwciał celowanych w konkretne bakterie. Jak wiemy na przeciwciałach opiera się cała odpowiedź humoralna układu odpornościowego, a na niej opierają swoje działanie choćby szczepionki. Można więc z całą pewnością stwierdzić, że terapia przeciwciałami byłaby skuteczna, aczkolwiek problemem pozostają koszty produkcji tych wyspecjalizowanych białek. Póki co na takie leczenie stać tylko najbogatszych.

Przykładowy model przeciwciała, źródło: https://cdn.rcsb.org/

Nasza przygoda z projektowanymi biotechnologicznie terapiami dopiero się zaczyna, a już stawiamy wielkie kroki. Sama biotechnologia jest stosunkowo nową dziedziną, bo techniki do jej uprawiania w praktyce posiadamy dopiero od drugiej połowy XX wieku i z tego okresu też pochodzi najwięcej odkryć. Być może już wkrótce ktoś rozwiąże bieżące problemy związane z terapiami bazującymi na biologicznych maszynach i dostaniemy godnego następcę powoli tracących ważność antybiotyków.

Źródła:

(1) Ge, P., Scholl, D., Prokhorov, N.S. et al. Action of a minimal contractile bactericidal nanomachine. Nature 580, 658–662 (2020). Action of a minimal contractile bactericidal nanomachine

Paul Grayson, Ian J Molineux “Is phage DNA ‘injected’ into cells—biologists and physicists can agree”, Current Opinion in Microbiology, Volume 10, Issue 4, 2007, Pages 401-409, ISSN 1369-5274, DOI: https://doi.org/10.1016/j.mib.2007.04.004

Chatterjee C, Paul M, Xie L, van der Donk WA (February 2005). "Biosynthesis and mode of action of lantibiotics". Chem. Rev. 105 (2): 633–84. doi:10.1021/cr030105v. PMID 15700960.

Netz DJ, Sahl HG, Marcelino R, dos Santos Nascimento J, de Oliveira SS, Soares MB, et al. (August 2001). "Molecular characterisation of aureocin A70, a multi-peptide bacteriocin isolated from Staphylococcus aureus". Journal of Molecular Biology. 311 (5): 939–49. doi:10.1006/jmbi.2001.4885. PMID 11531330.

GINSBURG, I. (2002), The role of bacteriolysis in the pathophysiology of inflammation, infection and post‐infectious sequelae. APMIS, 110: 753-770. doi:10.1034/j.1600-0463.2002.1101101.x

Stepper J, Shastri S, Loo TS, Preston JC, Novak P, Man P, et al. (February 2011). "Cysteine S-glycosylation, a new post-translational modification found in glycopeptide bacteriocins". FEBS Letters. 585 (4): 645–50. doi:10.1016/j.febslet.2011.01.023. PMID 21251913.

Chandradhish Ghosh, Paramita Sarkar, Rahaf Issa, Jayanta Haldar "Alternatives to Conventional Antibiotics in the Era of Antimicrobial Resistance", Trends in Microbiology, Volume 27, Issue 4, 2019, Pages 323-338, ISSN 0966-842X,

https://doi.org/10.1016/j.tim.2018.12.010.

Borges S, Silva J, Teixeira P (March 2014). "The role of lactobacilli and probiotics in maintaining vaginal health". Arch. Gynecol. Obstet. (Review). 289 (3): 479–89. doi:10.1007/s00404-013-3064-9. PMID 24170161.

(2) Maarten G.K. Ghequire, René De Mot “The Tailocin Tale: Peeling off Phage Tails”, Trends in Microbiology, Volume 23, Issue 10, October 2015, Pages 587-590, DOI: https://doi.org/10.1016/j.tim.2015.07.011

Obraz tytułowy pochodzi z bazy Shutterstock


Subskrybuj nas: Google News | Feedly



Chcesz wiedzieć więcej? Polub i obserwuj nas na Facebooku. Jesteśmy także na Twitterze. Zapraszamy na naszą grupę dyskusyjną.

WSPIERAJ NIEZALEŻNE DZIENNIKARSTWO