Vedci oživili „zombie proteíny“ staré 160 miliónov rokov. Niektoré zabíjali baktérie lepšie než dnešné

Materské mlieko, sliny, slzy aj črevný hlien obsahujú lactoferrin. Táto bielkovina bráni baktériám v prístupe k železu a zároveň narúša ich bunkové membrány. Vedci z University of Oregon sa pozreli na to, ako táto schopnosť vyzerala u dávnych predkov cicavcov. Niektoré rekonštruované verzie boli proti určitým baktériám dokonca účinnejšie než lactoferricín dnešného človeka.

Najstaršia verzia lactoferrinu vznikla pred 160 miliónmi rokov

Lactoferrin sa podľa štúdie objavil približne pred 160 miliónmi rokov, v neskorej jure. Vtedy sa u predka placentárnych cicavcov oddelil duplikáciou od príbuzného génu pre transferrin. Do tejto skupiny dnes patrí človek aj väčšina cicavcov, ktorých mláďatá sa vyvíjajú v maternici.

Kľúčom k antimikrobiálnemu účinku lactoferrinu je jeho krátky úsek – lactoferricín. Tento peptid môže bakteriálnu membránu poškodiť natoľko, že z bunky začne unikať jej obsah a tá napokon zahynie. Zaujímavé je, že zodpovedajúca časť príbuzného ľudského transferrinu rovnakú schopnosť nemá. Vedcov preto zaujímalo, kedy ju lactoferricín získal a ako sa počas evolúcie menila.

„Antimikrobiálne peptidy sú kľúčovou súčasťou prvej línie obrany tela,“ povedala Titas Sil, hlavná autorka štúdie a doktorandka v laboratóriu Matta Barbera. „Dokážu zasiahnuť široké spektrum patogénov, a práve pre ich silu sa ich vedci dlho snažia syntetizovať na liečebné účely.“

Vedci poskladali praveký proteín podľa dnešných génov

Vedci nemali k dispozícii fyzicky zachovaný proteín z obdobia dinosaurov. Sil preto porovnala génové sekvencie dnešných živočíchov a na základe ich evolučného príbuzenstva rekonštruovala pravdepodobnú podobu pravekých bielkovín. Dostala sa približne 160 miliónov rokov do minulosti.

Metóda známa ako rekonštrukcia predkovských sekvencií (ancestral sequence reconstruction) umožnila výskumníkom pripraviť rekonštruované lactoferricínové peptidy a otestovať ich proti baktériám Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Escherichia coli a Streptococcus agalactiae.

Súvisí s tým

Kosti staré 3,7 milióna rokov odhalili dôležitý moment evolúcie človeka. Naši predkovia sa pohybovali inak, než sme si mysleli

Najstaršia verzia pri vyšších koncentráciách narúšala bakteriálne membrány, rast baktérií však tlmila iba slabo. Autori predpokladajú, že poškodenie ešte nemuselo byť nezvratné a bunky sa z neho mohli zotaviť.

Mladšie predkovské verzie už boli podstatne účinnejšie. AncLFcin2 pôsobil pri nižších koncentráciách na všetky testované baktérie a proti niektorým grampozitívnym druhom prekonal aj dnešný ľudský lactoferricín. Vývoj však nešiel jednoducho od slabšieho peptidu k silnejšiemu. Veľa záležalo aj na tom, proti akému mikróbu ho vedci testovali.

Jediná mutácia výrazne zvýšila účinnosť peptidu

Na zásadný posun v účinnosti stačili aj drobné mutácie. Štúdia publikovaná v časopise PLOS Biology ukázala, že v oblasti lactoferricínu počas evolúcie pribúdali kladne nabité a hydrofóbne, teda vodu odpudzujúce aminokyseliny.

Obe vlastnosti zohrávajú pri kontakte s baktériou inú úlohu. Kladný náboj pomáha peptidu priblížiť sa k záporne nabitému povrchu bunky, zatiaľ čo hydrofóbne časti prenikajú do lipidovej membrány a narúšajú jej štruktúru.

Ako kľúčová sa ukázala mutácia Q8R – zámena glutamínu za kladne nabitý arginín na ôsmej pozícii peptidu. Pri P. aeruginosa táto jediná zmena výrazne zvýšila antimikrobiálnu aktivitu predkovského peptidu. Pri S. aureus však sama nestačila.

Podobne mutácia Q5R zvýšila účinnosť ľudského lactoferricínu, najmä proti S. aureus. Na zásadnú zmenu v správaní peptidu tak môže stačiť zámena jedinej aminokyseliny.

Vedci sa preto pýtali, či slabší ľudský variant nie je iba evolučným kompromisom šetriacim naše vlastné bunky. Testy na hovädzích krvinkách to však nepotvrdili – ani jeden z peptidov nespôsobil ich rozpad, teda hemolýzu. Na závery o bezpečnosti pre človeka je však stále priskoro.

„Prekvapivé a neočakávané bolo, ako veľký efekt mohli mať také malé zmeny v týchto oblastiach,“ povedal Matt Barber, hlavný autor štúdie a evolučný biológ na Oregonskej univerzite. „Existovali klinické skúšky, ktoré testovali deriváty ľudského lactoferrinu pri liečbe infekcií. Ale v niekoľkých prípadoch stačilo len málo zmien na to, aby evolúcia posunula účinnosť týchto peptidov nad úroveň ľudskej verzie.“

Od laboratória k novému antibiotiku je ešte ďaleko

Výskum súvisí aj s rastúcim problémom odolnosti baktérií voči antibiotikám. Barber prirovnáva evolúciu k experimentu trvajúcemu miliardy rokov. Staršie varianty molekúl môžu vedcom ukázať kombinácie, na ktoré by pri návrhu nových liečiv sami nemuseli prísť.

„Pre každého, kto skúma patogénne baktérie, je vždy niekde v pozadí myšlienka, že antibiotiká patria medzi najdôležitejšie objavy medicíny 20. storočia,“ povedal Barber. „No baktérie si proti nim už dlho vyvíjajú odolnosť.“

Výsledky zatiaľ pochádzajú z laboratória. Veľká časť testov prebiehala v médiu s nízkym obsahom živín a správanie antimikrobiálnych peptidov v tele môže meniť pH či koncentrácia iónov. Či by rovnako zafungovali aj v ľudskom organizme, zatiaľ nikto nevie.

Ďalšou prekážkou je ich stabilita. V porovnaní s bežnými antibiotikami sa tieto peptidy v tele rýchlejšie rozkladajú. Rekonštruované molekuly preto nepredstavujú hotový liek. Slúžia skôr ako biologická predloha, z ktorej možno vychádzať pri návrhu stabilnejších a účinnejších látok.

„Podobne ako pri antibiotikách, aj proti antimikrobiálnym peptidom si baktérie časom vyvinú odolnosť,“ dodal Barber. „Ale ak pochopíme a dokážeme predvídať, ako sa táto odolnosť vytvára, môžeme nájsť lepšie spôsoby, ako na ne zaútočiť, alebo vyvinúť kombinované liečby, ktoré sa rezistencii lepšie vyhnú.“

Lactoferricín navyše nie je jediným antimikrobiálnym úsekom lactoferrinu. Bielkovina obsahuje aj 17-aminokyselinový lactoferrampin, ktorý pôsobí proti baktériám aj hubám. Iný antimikrobiálny fragment poznáme aj z ovotransferrinu, príbuzného proteínu vtákov, pričom leží v inej časti molekuly. Podľa autorov to naznačuje, že podobná antimikrobiálna funkcia mohla v tejto rodine proteínov počas evolúcie vzniknúť nezávisle viackrát.