Японские ученые, в том числе исследователи из Токийского университета сельского хозяйства и технологий (TUAT) и Йокогамского национального университета, определили молекулярный механизм, который придает кожным выделениям одного из видов лягушек эффективные противомикробные свойства.
Их выводы были опубликованы 20 февраля 2019 года в журнале ACS Applied Bio Materials.
Лягушка Bombina variegata, также известная как желтобрюхая жаба, обитает в лесах, лугах, водно-болотных угодьях и водных средах обитания по всей Центральной Европе. Их кожные выделения содержат антимикробные агенты, называемые бомининами H2 и H4, которые играют ключевую роль в защите вида от инфекций.
Бомбинин H2 и H4 представляют собой антимикробные пептиды (AMP) или защитные пептиды хозяина, которые играют важную роль в иммунном ответе. Они привлекли внимание своей способностью ингибировать лейшманиоз - высокоинфекционную и потенциально смертельную тропическую болезнь, от которой пострадало около 20 миллионов человек во всем мире, при этом ежегодно регистрируется 1,3 миллиона новых случаев и от 20 000 до 30 000 смертей.
H4 является изомером H2 - они имеют одинаковую формулу, но атомы в молекуле расположены по-разному - с H4, имеющим встречающуюся в природе D-аминокислоту на конце молекулярной цепи. С точки зрения антимикробных свойств H4 более эффективен, чем H2, но до сих пор причина оставалась неразгаданной биологической загадкой.
"D- и L-аминокислоты являются зеркальным отображением друг друга, и большинство аминокислот в природе имеют L-структуру", - объясняет Рюдзи Кавано, доцент кафедры биотехнологии и наук о жизни в TUAT и соавтор. автор исследования.«Некоторые белки модифицированы, чтобы иметь D-аминокислоты. Роль наличия D-аминокислот не полностью понятна в случае лягушки».
Чтобы лучше понять молекулярный механизм, управляющий антимикробной активностью пептидов Bombinin H2 и H4, и то, что делает H4 более эффективным, чем H2 в этом отношении, авторы провели электрофизиологические эксперименты на липидной двухслойной мембране, которая воспроизвели липидную мембрану, окружающую клетки или микроорганизмы. Затем результаты были проанализированы с использованием существующих моделей AMP, чтобы определить, насколько эффективно эти антимикробные пептиды разрушают клеточную мембрану микробов.
Команда обнаружила, что пептиды H2 и H4 ингибируют микробную активность, создавая отверстия в клеточной мембране микроорганизмов, вызывая утечку ионов из клетки, что в конечном итоге убивает их. На эффективность этой антимикробной активности влияет ионная проницаемость (насколько быстро ионы вытекают из клетки), скорость образования пор и размер образовавшихся пор.
Результаты показывают, что способность пептидов трансформироваться в другую молекулу с таким же атомным составом, но с другим расположением атомов способствует более быстрому образованию пор. В то время как H2 образует более крупные поры, чем H4, H4 формирует поры быстрее. В то же время смесь H2/H4 образует поры среднего размера медленнее, чем H4, но присутствие D-аминокислоты увеличивает сродство связывания с липидной мембраной, тем самым улучшая ее разрушающую способность.
Думайте об этом как о поле ловушек разного размера; ловушки большего размера копаются дольше, но могут уловить больше животных, чем яма меньшего размера. С другой стороны, можно вырыть много ям меньшего размера за то же время, что и несколько больших. Выкапывание ям-ловушек среднего размера и добавление наживки или приманки, которая привлекла бы животных в яму, было бы наиболее эффективным подходом из всех.
Раскрытие молекулярного механизма, который способствует антимикробной активности этих пептидов, может помочь нам лучше понять, как развивалась защитная система лягушки и как ее можно использовать для борьбы с микробными инфекциями, имеющими медицинское значение. По словам Кавано, конечной целью является использование этого механизма для разработки более эффективных противомикробных средств, особенно противомикробных средств, эффективных против устойчивых к антибиотикам бактерий.