Organizmy żywe wytwarzają niezliczone ilości naturalnych produktów, które mogą być wykorzystywane we współczesnej medycynie i lecznictwie. Bakterie i inne drobnoustroje stały się głównym źródłem produktów naturalnych, w tym rosnącej rodziny zwanych peptydami syntetyzowanymi rybosomalnie i modyfikowanymi posttranslacyjnie lub RiPP. Laboratoria Douglasa Mitchella (MMG), profesora chemii Johna i Margaret Wittów oraz Huimina Zhao (CABBI/BSD/GSE/MMG), kierownika Katedry Inżynierii Chemicznej i Biomolekularnej Stevena L. Millera na Uniwersytecie Illinois Urbana-Champaign pracowali w tandemie, aby zidentyfikować i przeanalizować nowe RiPP, które mogłyby być dobrymi kandydatami do opracowywania leków i terapii.

„W porównaniu z innymi klasami produktów naturalnych, takimi jak alkaloidy, terpeny czy poliketydy, RiPP są wciąż niedostatecznie zbadane, częściowo dlatego, że ich biosyntetyczne klastry genów są dość małe i często były pomijane w przeszłości” – powiedział Zhao. „Postanowiliśmy więc opracować nowe technologie, aby odkryć nowe RiPP o aktywności biologicznej”.

„Teraz, gdy jesteśmy w erze genomiki, zdajemy sobie sprawę, jak rozpowszechnione są te grupy produktów naturalnych, zwłaszcza w bakteriach” – powiedział Shravan Dommaraju, doktorant w laboratorium Mitchella. „Jesteśmy w zasadzie w tej fazie eksploracji, w której wiemy, że tam są, a celem jest sprawdzenie, ile możemy znaleźć, ponieważ nie wiemy jeszcze, co wszyscy robią”.

W nowym artykule laboratoriów Zhao i Mitchell, wraz z pierwszymi współautorami Dommaraju i Hengqian Ren, doktor habilitowany w laboratorium Zhao, zespół poinformował o odkryciu unikalnej, nowej klasy RiPP, którą nazwali „daptydami”. W przeciwieństwie do większości peptydów, które mają jeden dodatnio naładowany i jeden ujemnie naładowany koniec lub „koniec”, daptydy mają zamiast tego dwa dodatnio naładowane końce.

„Podręcznik powiedziałby, że peptyd ma koniec aminowy i koniec karboksylowy, ale w naszym przypadku znaleźliśmy peptyd rybosomalny, który ma dwa końce aminowe” – powiedział Ren. „Ponieważ na obu końcach jest ładunek dodatni, daje to daptydom kilka interesujących bioaktywności”.

Naukowcy wyjaśnili, że chociaż ta zmiana na końcach może wydawać się niewielka, dodatni ładunek obu końców daje daptydom możliwość interakcji z ujemnie naładowanymi obiektami, takimi jak błony komórkowe. Aby to przetestować, zespół dodał daptydy do naczynia z krwinkami czerwonymi. Odkryli, że daptydy wykazywały aktywność hemolityczną, co oznacza, że ​​rozrywały błony komórkowe, powodując ich pękanie. Zhao wyjaśnił, że aktywność hemolityczna rzadko występuje w RiPP, z którymi pracuje zespół, a aktywność przeciwdrobnoustrojowa lub przeciwgrzybicza jest znacznie bardziej powszechna.

„Myśleliśmy o strukturze i o tym, jaki jest ewolucyjny pęd do spowodowania, by peptyd utracił ujemnie naładowany koniec C i zastąpił go dodatnio naładowaną grupą aminową” – powiedział Dommaraju. „Z inżynieryjnego punktu widzenia, gdybyś chciał stworzyć peptyd, który może wchodzić w interakcje z błoną, umieściłbyś na nim kilka ładunków dodatnich. I to właśnie skłoniło nas do przetestowania tego pod kątem aktywności hemolitycznej, ponieważ wiedzieliśmy, że ma tę modyfikację, która powinna na to pozwolić”.

Znalezienie nowych RiPP nie jest łatwym zadaniem. Najpierw naukowcy wykorzystują bioinformatykę do porównania i próby zidentyfikowania klastrów genów, które mogą wytwarzać potencjalne RiPP. Następnie klonują docelowy klaster i umieszczają go w organizmie, który ma ulec ekspresji, po czym mogą sprawdzić, czy nie powstały żadne naturalne produkty. Nawet po uzyskaniu produktów nadal pozostaje pytanie, co robią produkty i jak są wytwarzane, co można przetestować za pomocą testów biologicznych, nokautów genów i wielu innych testów. Ale Dommaraju mówi, że każde z laboratoriów korzysta ze swojej wiedzy podczas współpracy w celu usprawnienia procesu.

„Więc w takim projekcie laboratorium Mitchell zajmuje się bioinformatyką i identyfikuje fajne klastry genów, a laboratorium Zhao uruchamia system biologii syntetycznej i wyraża te peptydy oraz je wytwarza” – wyjaśnił Dommaraju. „Więc jesteśmy w stanie oznaczyć zespół naszym doświadczeniem i pokrywającymi się rzeczami, które robimy, aby doprowadzić projekt do mety”.

Naukowcy twierdzą, że następnym krokiem jest zrozumienie funkcji enzymów daptydów i wykorzystanie analizy bioinformatycznej, aby sprawdzić, czy istnieją inne kombinacje genów związanych z produkcją daptydów. Kierunki dalszych badań w przyszłości obejmują zbadanie potencjalnych zastosowań terapeutycznych daptydów oraz ekologicznej roli, jaką produkcja daptydów ma dla bakterii, które je wytwarzają. Jednak zarówno Ren, jak i Dommaraju zgodzili się, że ich zainteresowanie przyszłymi eksperymentami z RiPP wykracza poza zwykłe daptydy, ponieważ jest jeszcze więcej klas do odkrycia.

„Jesteśmy zainteresowani wykorzystaniem naszego narzędzia bioinformatycznego do znalezienia jak największej liczby różnych klas produktów naturalnych” — powiedział Ren. „Obecnie istnieje ogromna granica nieodkrytych klas RiPP, a bycie w czołówce i odkrywanie nowych możliwości jest ekscytujące. Zawsze istnieje szansa, że ​​następny produkt, który znajdziesz, może być ważnym osiągnięciem terapeutycznym!”

Artykuł jest opublikowany w Komunikacja natury i można je znaleźć pod numerem DOI 10.1038/s41467-023-37287-1. Prace zostały sfinansowane przez National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) oraz National Institute of General Medical Sciences (NIGMS).