I os mennesker bruges antimikrobielle peptider (AMP) af vores uspecifikke immunsystem som et første forsvar mod de patogene mikrober, der invaderer vores krop. Et eksempel på dette kan være i tarmen. Her er tarmcellerne dækket af et lag slim. Cellerne udskiller konstant små mængder AMP ud i denne slimfilm. Slimen har den virkning, at den holder fast på AMP, ligesom et net. Dette kan lade sig gøre, fordi slimen er ret sej, og derfor er det svært for AMP at komme ud af slimen. Når der kommer patogene bakterier, skal de først igennem denne slimfilm for at kunne angribe cellerne. Men da slimlaget er fyldt med AMP, når der næsten aldrig nogen patogene bakterier ind til cellerne, og derved afværges mulige infektioner.

 

I insekter er AMP et af de vigtigste våben mod infektioner, da de ikke har et adaptivt (specifikt) immunsystem ligesom os pattedyr. Derfor er de fleste antimikrobielle peptider da også fundet i insekter (Tabel 1).

 

Hos planter har man forsøgt sig med at genmodificere planter, ved at indsætte gener for AMP i dem. Derved blev disse planter resistente over for bestemte mikrober der tidligere var et problem. Fordelen ved denne strategi, frem for at bruge sprøjtegifte, er at AMP er proteiner. Derved nedbrydes de naturligt i maven på os mennesker. Derfor mener forskere at dette kan være en ny og bedre strategi i bekæmpelsen på plantesygdomme.

 

AMP kan deles op i en række grupper. I vil i dette projekt stifte bekendtskab med tre af disse grupper:

• α-helix AMP
• b-hairpin AMP
• Defensiner  

Som tidligere nævnt er disse grupper bl.a. inddelt efter proteinstrukturen. I vil i den efterfølgende tekst blive præsenteret for et eksempel på hver gruppe. Disse eksempler er de AMP, der er gemt i de DNA-sekvenser, I senere skal undersøge ved brug af bioinformatik. Alle nedenstående eksempler har en interessant historie og en proteinstruktur, der er utroligt illustrativ, hvilket er grunden til, at netop disse eksempler er valgt.    

 

Et sejt eksempel på funktionen af AMP som forsvar er fra en bestemt krabbeart. Her er en del af hæmoglobinmolekylet i krabbernes blod faktisk et antimikrobielt peptid. Dette AMP virker ikke, når det er en del af hæmoglobinet. Først når krabbens immunforsvar identificere, at krabben har fået en infektion, udskiller nogle bestemte celler et enzym. Dette enzym klipper den del af hæmoglobinen af, der er et AMP. AMPet bliver nu virksomt, og flyder med blodet til det sted, hvor der er en infektion. Derved slås infektionen hurtigt ned. Det sejeste er faktisk, at det nye hæmoglobin molekyle, hvor AMPet er klippet af, binder ilt endnu bedre end det normale hæmoglobin. Derved er resultatet for den syge krabbe, at infektionen bliver slået ned, og den vil derefter kunne komme sig hurtigt efter infektionen, fordi den har lettere ved at trække vejret end de andre krabber, der ikke har været syge. Praktisk, når der ikke lige er en ”krabbelæge” rundt om hjørnet.

 

α-helix AMP

Eksemplet på et α-helix AMP er Magainin 2. Magainin 2 er et 23 aminosyrer langt AMP. Dette AMP bliver til ud fra et større peptid. Dette peptid indeholder Magainin 1, Magainin 2 samt et mellemstykke. Dette klippes i tre stykker, hvorefter man har to funktionelle AMPer samt et mellemstykke der blot nedbrydes (Figur 1).

Magainin 2 blev isoleret fra huden på en afrikansk frø med det eksotiske navn Xenopus laevis. Magainin 2 virker utroligt bredt i mikrobernes rige. Der virker såvel mod gramnegative og grampositive bakterier, som mod svampe og visse parasitter. Til gengæld virker det kun meget svagt mod humane celler, hvorfor man længe arbejdede på at udvikle Magainin 2 til et lægemiddel.

Figur 1: Magainin 1 og 2 bliver translateret samtidigt fra det samme mRNA, og først derefter bliver proteinet klippet, således at man får to virksomme AMP.

 

Det har vist sig eksperimentelt, at Magainin 2 danner en α-helix, når peptidet folder op (Figur 2). Dimensionerne af α-helixen tillader, at peptider danner en membrangennemborende struktur som omtalt i afsnittet om proteinstruktur. Dette vil have den virkning, at membranpotentialet vil falde. Derved mister cellen evnen til at producere ATP gennem eletrontransportkæden, der hos prokaryoter er tilknyttet cellemembranen. Dette vil hurtigt dræbe cellen. Magainin 2 og en række modificerede analoger har vist stor effektivitet i en række dyremodeller. Dette førte til, at en af disse modificerede udgaver blev testet i mennesker som et nyt lægemiddel der skulle bruges til bl.a., at behandle inficerede skinnebenssår hos patienter med diabetes. Man nåede helt frem til den absolut sidste fase af forsøg på mennesker, før der opstod problemer. Derfor er Magainin 2’s videre skæbne som lægemiddel er uvis.

Figur 2: Strukturen for Magainin 2.

 

b-hairpin AMP

β-hairpin er en struktur, hvor et antiparallelt β-sheet opstår på hver sin side af et ”hårnålesving” – deraf navnet β-hairpin. Eksemplet på et β-hairpin AMP er Protegrin.

 

Figur 3: Strukturen for Protegrin. De to svovlbroer er fremhævet ved at farve de fire runde svovl atomer fra cystein aminosyrerne gule.

 

Protegrin er faktisk navnet på en hel undergruppe af AMP, der findes naturligt i grises hvide blodlegemer. I dette projekt vil kun et af disse stoffer blive behandlet. I grisenes immunceller findes Protegrin i en inaktiv form, som først aktiveres, når immunforsvaret identificerer en invaderende mikrobe. Det 18 aminosyre lange AMP danner et β-hairpin, der holdes sammen af to disulfidbroer (Figur 3). Denne opbygning er et af de simpleste strukturelle designs set i AMP-verdenen.

 

Protegrin er særdeles virksomt på såvel bakterier som på visse gærsvampe. Protegrin virker stærkt cellelyserende inden for ganske få minutter, hvilket medfører øjeblikkelig celledød. Desværre er dette også til en vis grad gældende i mennesker, hvilket begrænser mulighederne for at udnytte Protegrin som et lægemiddel. Dog har en modificeret udgave af Protegrin, vist sig at være effektiv i adskillige dyremodeller. Protegrin er også blevet testet mod forskellige infektioner i munden og forskellige former for lungebetændelse dog uden at være blevet godkendt til brug i mennesker endnu.

 

Defensiner

Defensiner er en bred gruppe af AMP, der er fundet i alt fra insekter til pattedyr og senest i svampe (Tabel 1). De er generelt kendetegnet ved, at de har tre til fire svovlbroer. Plectasin er et eksempel på et sådant defensin. Plectasin er isoleret fra svampen Pseudoplectania nigrella af Novozymes i 2004. Plectasin er 40 aminosyrer langt og har tre svovlbroer (Figur 4). Sekvensanalyse og sammenligning af den tertiære struktur med andre kendte AMP viser, at Plectasin har stor homologi med AMP fundet i muslinger og leddyr (dyr med et ydre kitinskelet, såsom edderkopper, krabber og skovflåter). Det antimikrobielle spektrum for Plectasin er meget specifikt, idet det, såvel in vivo som in vitro, kun er virksomt mod grampositive bakterier.

 

Figur 4: Strukturen for Plectasin. Også her er svovlbroerne fremhævet med gult. 

 

Det DNA i svampen, der koder for Plectasin, er blevet identificeret og derefter indsat i adskillige industrielle produktionsorganismer, såsom svampen Aspergillus oryzae. Ved hjælp af denne teknik er et modent og aktivt protein succesfuldt blevet produceret i store mængder. Dette er utroligt vigtigt, da man skal kunne producere lægemidlet billigt og i store mængder, for at det vil være økonomisk attraktivt og kan konkurrere med eksisterende produkter på markedet.

 

Plectasin er blevet testet i adskillige dyremodeller. I alle disse modeller udviste Plectasin samme aktivitet som traditionelle former for antibiotika (såsom penicillin og vancomycin). Dette indikerer, at Plectasin er en lovende kandidat for videre medicinsk udvikling. Håbet er, at få et effektivt våben mod grampositive infektioner såsom multiresistente Stafylokokkus aureus infektioner, der er et stigende problem (Figur 5). Modificerede udgaver af Plectasin er i øjeblikket i præklinisk udvikling på Novozymes med henblik på at kunne behandle multiresistente grampositive bakterier.

 

Figur 5: Antal rapporterede tilfælde af methicillin (et antibiotikum) resistente Staphylococcus aureus (MRSA) i Danmark i årene fra 1994 til 2005. Fra DANMAP rapporten fra 2005.

 

Læs mere

Stafylokokinfektioner

I udlandet, hvor brugen af antibiotika er meget større, ses store problemer med såkaldte multiresistente S. aureus stammer, som kun vanskeligt kan bekæmpes med traditionelle former for antibiotika.

 

Stigende antal stafylokok-infektioner

Stafylokokker er i dag den vigtigste årsag til hospitalserhvervede infektioner og antallet af infektioner er stigende, som det fremgår af Statens Seruminstituts hjemmeside.