Антимикробные пептиды архей не похожи на аналоги у животных и бактерий

Из-за распространения антибиотикорезистентности поиск и разработка новых препаратов продолжается. Одна из групп таких веществ — антимикробные пептиды, которые способны нарушать целостность мембраны бактерий. Обычно источником антимикробных пептидов служат грибы, бактерии и млекопитающие. Ученые из Пеннсильванского университета (США) же обратили свое внимание на архей.

Для поиска антимикробных пептидов в протеомах архей ученые использовали алгоритм глубокого обучения APEX. Он предсказывает антимикробную активность пептидов, представленных в базе данных белков UniProt. Ранее исследователи уже применяли APEX для поиска пептидов с антимикробной активностью в ядах животных, в том числе вымерших.

Алгоритм APEX проанализировал 18 677 аминокислотных последовательностей белков, принадлежащих 233 археям. Анализ выявил в их протеомах 12 623 пептидов с потенциальными антимикробными свойствами и предсказанной минимальной ингибирующей концентрацией (МИК) менее 100 мкмоль/л. Эти пептиды авторы назвали археазинами (archaeasins). Больше всего потенциальных археазинов алгоритм обнаружил у родов Pyrococcus, Methanocaldococcus, Pyrobaculum, Sulfolobus, — термофильных микроорганизмов.

Археазины структурно отличались от антимикробных пептидов, найденных у человека и бактерий. В археазинах содержалось больше остатков глутаминовой кислоты, но в них также присутствовали и катионные остатки, что поддерживало баланс в распределении заряда. Археазины амфифильны, а в их вторичной структуре присутствуют неупорядоченные домены и бета-складчатости.

Исследователи отобрали 80 наиболее разнообразных археазинов, которые сильнее всего отличались от уже известных антимикробных пептидов, и проверили их антибактериальные свойства in vitro. Эффект проверяли на таких патогенах, как Acinetobacter baumannii, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium. Концентрации пептидов варьировали от 1 до 64 мкмоль/л. В итоге 93% из протестированных археазинов продемонстрировали противомикробное действие.

Чтобы определить механизм действия археазинов, ученые оценили их способность проникать сквозь внешнюю и цитоплазматическую мембрану A. baumannii и деполяризовать ее. Успешно проникнуть через внешнюю мембрану бактерии смогло только два археазина (археазин-21 и археазин-22), выделенных из Methanocaldococcus jannaschii, — это показали в эксперименте с липофильным красителем N-фенил-1-нафтиламином. Деполяризацию цитоплазматической мембраны бактерии, которую детектировали с помощью флуорофора DiSC₃-5, могло вызывать 34 из 70 протестированных археазинов, но эффективнее всего себя показали пептиды, выделенные из Thermofilum pendens (археазин-78) и Pyrobaculum arsenaticum (археазин-57). Археазины-21 и 22, хотя и нарушали целостность мембраны, практически не вызывали ее деполяризацию.

Ученые также проверили эффект 79 пар археазинов, варьируя их концентрации. Их испытывали на A. baumannii ATCC 19606 — этот штамм отличается высокой антибиотикорезистентностью. Наличие синергизма между разными археазинами в паре определяли по индексу фракционной ингибирующей концентрации (иФИК). Чаще всего к синергизму были склонны археяязины, полученные из родов гипертермофильных архей Methanocaldococcus, Methanothermobacter, Thermococcus и Pyrococcus.

Археазины оказались практически нетоксичны для клеточных линий человека. Только треть археазинов продемонстрировала умеренную или низкую гемолитическую активность против эритроцитов человека, в то время как большинство вообще не были токсичны для них. Большинство археазинов также отличались низкой цитотоксичностью против клеточной линии HEK293T.

Наконец, действие археазинов проверили на животных моделях. Для тестов in vivo ученые отобрали археазины с наилучшим эффектом in vitro и с низкой цитотоксичностью: археазин-2 из Aeropyrum pernix (МИК = 4 мкмоль/л), археазин-17 из Ignococcus hospitalis (МИК = 2 мкмоль/л) и археазин-73 из Sulfurisphaera tokodaii (МИК = 8 мкмоль/л). В одном из экспериментов у мышей вызывали кожный абсцесс, инфицируя их A. baumannii. Поврежденный участок обрабатывали раствором археазина. Спустя два после начала инфекции все археазины снижали число бактерий в пораженном участке на 1,5-2 порядка. Лучше всего себя показал археазин-73: его эффект был сравним с полимиксином B и даже превосходил левофлоксацин — эти антибиотики использовались в качестве положительного контроля.

Те же вещества протестировали на модели глубокой инфекции тканей — мышам инфицировали мышцу бедра. Перед заражением A. baumannii этим животные проходили курс иммуносупрессии. Затем им вводили археазины — интраперитонеально в единственной дозе. При таком режиме спустя 4 дня после инфекции они не смогли ее вылечить, в отличие от полимиксина B и левофлоксацина, которые снизили бактериальную нагрузку на три порядка. Однако количество бактерий при обработке археазинами оставалось стабильным, а не возрастало, как у контрольных мышей без лечения, — авторы находят этот результат обнадеживающим. Они полагают, что необходимо дальше изучать и оптимизировать антимикробные свойства археазинов.

Инфузид — новый антибиотик против стафилококка с множественной лекарственной устойчивостью