ИИ выявил потенциальные антибиотики в ядах животных

Яды эволюционировали на протяжении миллионов лет, чтобы взаимодействовать с широким спектром биологических целей. В них много биоактивных пептидов и белков, в том числе с антимикробными свойствами. Пептиды, полученные из яда, обладают рядом преимуществ по сравнению с обычными низкомолекулярными антибиотиками. Традиционные антибиотики обычно таргетируют отдельные ферменты или биосинтетические пути, многие пептиды из ядов нарушают бактериальную мембрану — против этого механизма сложно выстроить защиту. Кроме того, пептиды яда часто действуют как против грамположительных, так и против грамотрицательных бактерий.

Несмотря на потенциал пептидов яда, усилия по их исследованию были ограничены исключительной сложностью состава яда и невозможностью высокопроизводительного экспериментального скрининга. Исследователи из США применили APEX, модель глубокого обучения «последовательность-функция», для систематического анализа протеомов ядов и поиска антимикробных пептидов.

Авторы использовали четыре базы данных (ConoServer, ArachnoServer, ISOB и VenomZone), содержащих информацию о белках ядов пауков, скорпионов, змей, насекомых и других животных. Всего они собрали информацию о 16 123 белках, которые «разбили» на 40 626 260 пептидов (venom-encrypted peptides, VEP).

Используя APEX, авторы спрогнозировали значения минимальной ингибирующей концентрации (МИК), специфичные для бактериальных штаммов, для каждого пептида и использовали медианное значение МИК в качестве меры антимикробной активности. Они выявили 7379 VEP со средним значением МИК ≤32 мкмоль/л и сравнили их последовательности с известными антимикробными пептидами. Так получили 386 кандидатов, мало похожих на известные пептиды. Некоторые из них обладали схожими физико-химическими свойствами, другие имели как уникальные последовательности, так и уникальные характеристики.

В VEP было снижено содержание цистеина, аспарагиновой кислоты, гистидина и изолейцина, при этом фенилаланина, лизина и аргинина было больше, чем в известных антимикробных пептидах.VEP, как правило, обладали большим положительным зарядом, что способствовало электростатическому взаимодействию с отрицательно заряженными бактериальными мембранами. Они также были более амфифильными.

Среди 58 протестированных VEP 53 (91,4%) проявили антимикробную активность в отношении как минимум одного патогенного штамма.

Вторичная структура коротких пептидов динамична и часто переходит между неупорядоченными и упорядоченными конформациями в зависимости от окружающей среды, особенно на гидрофобных/гидрофильных границах раздела. Эти структурные переходы важны для определения биологических функций пептидов, включая их антимикробную активность. Авторы использовали спектроскопию, чтобы определить вторичную структуру пептидов в различных средах, имитирующих в том числе клеточные мембраны. В воде VEP обычно на были организованными, а в средах, имитирующих мембраны, принимали конформации альфа-спирали.

По всей видимости, антимикробные свойства VEP были связаны с деполяризацией бактериальной мембраны. Так действуют некоторые антимикробные пептиды. В целом, пептиды не были токсичны в отношении клеток HEK293T, и только наиболее активные из них проявили гемолитическое действие.

Авторы выбрали наиболее активные VEP с низкой токсичностью и опробовали их на мышах, инфицированных Acinetobacter baumannii. Были выбраны три VEP: UniProtKB-7, полученный из токсина Im-1 скорпиона Isometrus maculatus; ConoServer-14, полученный из белка Elevenin-Vc1 конуса Conus quercinus, и Arachnoserver-5, полученный из белка M-lycotoxin-Gri2c паука-волка Geolycosa riograndae.

Однократное местное применение каждого VEP в дозе, соответствующей его МИК, значительно снизило количество бактерий через 2 дня после инфицирования. У животных, подвергшихся лечению, не наблюдалось существенных изменений массы тела, что указывает на минимальную токсичность в этих условиях.

В дальнейшем авторы планируют сосредоточиться на химических модификаций пептидов, полученных из яда, для дальнейшего повышения их стабильности, биодоступности и селективности.

Антитела человека, 200 раз укушенного ядовитыми змеями, стали компонентами антидота к 19 ядам