Tim sa University of Oregon rekonstruisao je ancestralne verzije laktofericina — antimikrobnog domena iz laktoferrina — i pratio kako su se njegove sposobnosti menjale tokom ~160 miliona godina. Rani oblici već su mogli da oštećuju bakterijske membrane, ali su kasne mutacije, uključujući ključnu zamenu Q8R, znatno povećale potentnost protiv nekih vrsta poput Pseudomonas aeruginosa. Iako rekonstruisani peptidi nisu direktni kandidati za lekove, daju precizne ciljeve za inženjering narednih antimikrobnih molekula.
Oživljen 160-miliona godina star peptid: Kako male mutacije menjaju borbu protiv bakterija
Resurrected lactoferricin peptides show how a few amino-acid changes transformed an ancient immune defense. (CREDIT: Shutterstock)
Mali antimikrobni peptid koji se pojavio u ranim placentarim sisara pre oko 160 miliona godina promenio je tokom evolucije svoju sposobnost da napada bakterije. Istraživači sa University of Oregon rekonstruisali su izumrle verzije tog dela proteina laktoferrina — poznatog kao laktofercicin — i eksperimentalno pratili kako su se njegova svojstva menjala korak po korak.
Retracing the origin and evolution of a cryptic antimicrobial peptide within mammalian lactoferrin. (CREDIT: PLOS Biology)
Glavni nalazi
Rekonstrukcija ancestralnih sekvenci obuhvatila je transferrin i laktoferrin iz različitih kičmenjaka, što je rezultiralo nizom predloženih prethodnika: AncTF (transferrin pre duplikacije gena) i tri ancestralna laktoferricina označena kao AncLFcin1, AncLFcin2 i AncLFcin3. Istraživači su sintetisali 25-amino-kiselinski segment (pozicije 17–42 u zreloj ljudskoj sekvenci) i testirali ga na panelu bakterija: Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Staphylococcus aureus i Streptococcus agalactiae.
A single arginine substitution contributed to the early emergence of lactoferricin antimicrobial activity. (CREDIT: PLOS Biology)
Ključni rezultati uključuju:
Early origin of antimicrobial activity in lactoferricin. (CREDIT: PLOS Biology)
- Već rani oblik AncLFcin1 mogao je da ošteti bakterijske membrane i pri višim koncentracijama smanji rast (npr. P. aeruginosa pri 400 µg/ml, E. coli pri 800 µg/ml).
- AncLFcin2 je značajno potentniji — pokazao je jaku aktivnost protiv P. aeruginosa pri 100 µg/ml i protiv E. coli i jedne sojeve S. aureus pri 50 µg/ml. Protiv P. aeruginosa je pri 24h smanjio broj živih ćelija ~1.000×.
- Moderni kravlji laktofercicin bio je najkonzistentnije snažan (efekti već pri 50 µg/ml), dok ljudski laktofercicin u eksperimentima bolje deluje protiv Gram-negativnih nego Gram-pozitivnih bakterija.
- Svi ancestralni i moderni laktofercicini povećavali su propustljivost membrane P. aeruginosa u roku od 30 minuta, što ukazuje da je sposobnost narušavanja membrane nastala rano u evoluciji laktoferrina.
Uloga pojedinačnih mutacija
Analiza sekvenci otkrila je da su male promene imale veliki učinak. AncLFcin1 i AncLFcin2 razlikuju se u samo tri aminokiselinska mesta. Zamena glutamina argininom na poziciji 8 (Q8R) bila je neophodna i dovoljna da znatno poveća antimikrobnu aktivnost protiv P. aeruginosa. Za S. aureus ta zamena je bila potrebna za aktivnost AncLFcin2, ali nije sama po sebi bila dovoljna da reprodukuje pun efekat — potrebne su i druge promene u nizu.
Ancestral lactoferricin possessed potent bactericidal activity. (CREDIT: PLOS Biology)
Takođe su primećene promene tokom novije primatske evolucije: pozicije 5 i 12 nose tragove diversifikacionog selekcionog pritiska. Ispitivanje ljudskog peptida sa zamenskim Q5R (u stilu nekih velikih majmuna) pokazalo je značajno pojačanje aktivnosti protiv S. aureus i dodatnih Staphylococcus vrsta.
Metodologija i ograničenja
Istraživači su koristili statističku rekonstrukciju ancestralnih sekvenci na osnovu 376 sekvenci transferrina, laktoferrina i melanotransferrina iz različitih vrsta. Testovi su izvođeni pretežno u niskonutritivnim laboratorijskim medijima koji ne oponašaju u potpunosti uslove u organizmu, ali su osnovni obrasci ostali slični i u drugim ispitivanim medijima. Rekonstruisani peptidi nisu značajno oštetili bovinske crvene krvne ćelije u ispitivanjima toksičnosti.
Implikacije za dizajn lekova
Rekonstruisani peptidi sami po sebi nisu neposredni kandidati za terapiju — antimikrobni peptidi obično su manje stabilni i skloniji brzom razgradnjom u organizmu. Ipak, evolucioni uvidi ukazuju na tačne mutacije i strukturne karakteristike koje mogu poslužiti kao početne tačke za inženjering stabilnijih i ciljnih molekula. Autori upozoravaju da i bakterije mogu razviti otpornost na AMPs, pa razumevanje evolucije ovih peptida može pomoći u predviđanju slabosti i dizajniranju pametnijih strategija, ne samo "najsnažnijih" molekula.
Studija je objavljena u PLOS Biology, a vodio ju je tim sa University of Oregon pod vođstvom evolucionog biologa Matta Barbera.
Pomozite nam da budemo bolji.
