Krötenpeptid verwandelt sich in eine tödliche Waffe gegen Bakterien
Potenzial für zukünftige medizinische Anwendungen
Forscher des Technion - Israel Institute of Technology und des EMBL Hamburg haben bemerkenswerte molekulare Eigenschaften eines antimikrobiellen Peptids aus der Haut des australischen Krötens entdeckt. Die Entdeckung könnte die Entwicklung neuartiger synthetischer Medikamente zur Bekämpfung bakterieller Infektionen inspirieren.
Das Peptid Uperin 3.5 wird von der Haut der australischen Kröte abgesondert. Wenn es mit bakteriellen Membranen in Berührung kommt, verändert es schnell seine Struktur und verwandelt sich in eine tödliche antimikrobielle Waffe. Die Bilder wurden mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) in den Elektronenmikroskopie-Zentren im Technion Department of Materials Science and Engineering und im Department of Chemical Engineering aufgenommen. Die Kreuz-α-Atomstruktur wurde durch Daten bestimmt, die am ESRF-Synchrotron gesammelt wurden.
Nir Salinas/Technion
Ein antibakterielles Peptid, das sich an- und ausschaltet
Die Forscher lösten die 3D-Molekularstruktur eines antibakteriellen Peptids namens Uperin 3.5, das auf der Haut der australischen Kröte (Uperoleia mjobergii) als Teil ihres Immunsystems abgesondert wird. Sie fanden heraus, dass sich das Peptid selbst zu einer einzigartigen faserigen Struktur zusammensetzt, die über einen ausgeklügelten strukturellen Anpassungsmechanismus ihre Form in Gegenwart von Bakterien ändern kann, um die Kröte vor Infektionen zu schützen. Dies liefert einzigartige Beweise auf atomarer Ebene, die einen Regulationsmechanismus eines antimikrobiellen Peptids erklären.
Die antibakteriellen Fibrillen auf der Haut des Kröterichs haben eine Struktur, die an Amyloidfibrillen erinnert, die ein Kennzeichen neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson sind. Obwohl Amyloidfibrillen seit Jahrzehnten als pathogen angesehen werden, hat man vor kurzem entdeckt, dass bestimmte Amyloidfibrillen den Organismen, die sie produzieren, von Nutzen sein können, vom Menschen bis hin zu Mikroben. Zum Beispiel produzieren bestimmte Bakterien solche Fibrillen, um menschliche Immunzellen zu bekämpfen.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das antibakterielle Peptid, das auf der Haut der Kröte abgesondert wird, sich selbst in einer "ruhenden" Konfiguration in Form von hochstabilen Amyloidfibrillen, die die Wissenschaftler als Kreuz-β-Konformation bezeichnen, zusammensetzt. Diese Fibrillen dienen als Reservoir für potenzielle Angreifermoleküle, die bei Anwesenheit von Bakterien aktiviert werden können. Sobald das Peptid auf die bakterielle Membran trifft, ändert es seine molekulare Konfiguration in eine weniger kompakte cross-α-Form und verwandelt sich in eine tödliche Waffe. "Dies ist ein ausgeklügelter Schutzmechanismus der Kröte, der von den angreifenden Bakterien selbst ausgelöst wird", sagt der Strukturbiologe Meytal Landau, der Hauptautor der Studie. "Dies ist ein einzigartiges Beispiel für ein evolutionäres Design von schaltbaren supramolekularen Strukturen zur Kontrolle der Aktivität."
Potenzial für zukünftige medizinische Anwendungen
Antimikrobielle Peptide kommen in allen Reichen des Lebens vor, und so wird vermutet, dass sie in der Natur häufig als Waffen eingesetzt werden und gelegentlich nicht nur Bakterien, sondern auch Krebszellen abtöten. Darüber hinaus werfen die einzigartigen amyloidähnlichen Eigenschaften des antibakteriellen Peptids der Kröte, die in dieser Studie entdeckt wurden, ein Licht auf mögliche physiologische Eigenschaften von Amyloidfibrillen, die mit neurodegenerativen und systemischen Erkrankungen in Verbindung stehen.
Die Forscher hoffen, dass ihre Entdeckung zu medizinischen und technologischen Anwendungen führen wird, z.B. zur Entwicklung synthetischer antimikrobieller Peptide, die nur in Gegenwart von Bakterien aktiviert werden. Solche synthetischen Peptide könnten auch als stabile Beschichtung für medizinische Geräte oder Implantate dienen, oder sogar in Industrieanlagen, die sterile Bedingungen erfordern.
Die Studie ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit von Wissenschaftlern des EMBL Hamburg und des Technion mit Gruppen in Israel und Spanien. Sie ist ein Beispiel für den Ansatz, den das EMBL in seinem nächsten wissenschaftlichen Programm Molecules to Ecosystems in der lebenswissenschaftlichen Forschung verfolgt. Das EMBL wird interdisziplinäre Ansätze integrieren, um die molekularen Grundlagen des Lebens im Kontext von Umweltveränderungen zu verstehen und translationales Potenzial zur Unterstützung von Fortschritten in der menschlichen und planetaren Gesundheit zu schaffen.
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