Antimikrobielle Peptider
Antimikrobielle peptider (AMP) er en gruppe af relativt nye antimikrobielle stoffer, der første gang blev beskrevet i slutningen af 80’erne. Pionererne inden for dette forskningsfelt var Robert I. Lehrer og Michael Zasloff. De beskrev to vigtige klasser af antimikrobielle peptider – α-helix peptider og defensiner (en undergruppe af AMP, der bl.a. findes i os mennesker og svampe). Som navnet antyder, er det defensiner, der er med til at beskytte os mennesker mod infektioner.
AMP er simple peptider på mellem 10 og 50 aminosyrer. De er en vigtig del af immunforsvaret hos de fleste eukaryoter. De beskytter organismen mod en bred vifte af sygdomsfremkaldende mikroorganismer lige fra svampe til bakterier.
AMP har en række egenskaber, der gør dem til interessante kandidater for videre medicinsk udvikling. Det vigtigste er, at AMP virker via andre mekanismer end konventionelle antibiotika og dermed er aktive over for bakterier, der er resistente over for disse konventionelle antibiotika. Hvor almindeligt antibiotika normalt rammer specifikke enzymer i cellen, og derved f.eks. hæmmer proteinsyntesen eller opbygningen af cellevæggen, så gennemhuller AMP ofte mikrobernes cellemembran. Mange AMP er hurtigtvirkende (de hurtigste virker inden for få minutter) samtidigt med at de fungerer som mikrobicide stoffer frem for blot at være mikrobiostatiske. Dette skyldes som nævnt, at de aktivt danner porer i cellemembranen, hvorefter cellen dør. Når konventionelle former for antibiotika f.eks. kun hæmmer proteinsyntesen, så er det i realiteten kun bakteriernes syntese af nye proteiner, der bremses. Bakterien er stadig levende. Hvis antibiotikummet forsvinder hurtigt nok fra omgivelserne, vil cellen kunne vokse videre, idet proteinsyntesen starter igen. Derfor kaldes disse konventionelle former for antibiotika for mikrobiostatiske. Derudover er der observeret ringe resistensudvikling over for de antimikrobielle peptider, hvilket gør dem endnu mere interessante i en verden, hvor multiresistente bakterier i højere grad er blevet en del af dagligdagen på sygehusene. Her er det især bakterier som S. aureus der skaber problemer (Figur 1).
Figur 1: Antal rapporterede tilfælde af methicillin (et antibiotikum) resistente Staphylococcus aureus (MRSA) i Danmark i årene fra 1994 til 2005. Fra DANMAP rapporten fra 2005. Se link nederst på siden.
Antimikrobielle peptiders virkemekanisme
De fleste AMP er positivt ladede (man siger de er cationiske - cationisk betyder positiv ion), hvorfor man ofte i litteraturen kan kan se forkortelsen cAMP (ikke at forveksle med cyklisk AMP). Derudover er AMP ofte amfipatiske, som f.eks. det antimikrobielle peptid ved navn magainin (Figur 2).
Figur 2: Model af magainin. Blåt = basiske aminosyrer (cationiske og hydrofile). Gult = hydrofobe aminosyrer. Læg mærke til, at der er en hydrofil overside og en hydrofob underside. Altså er magainin amfipatisk.
Mikrobernes cellemembraner er opbygget af negativt ladede molekyler. Disse ting betyder samlet, at de positive AMP blive tiltrukket af mikroorganismernes negativt ladede cellemembran, som de derefter gennemborer. AMP benytter den positivt ladede del af peptidet til at binde sig til membranen, hvorefter den hydrofobe del gør, at de kan ”hoppe ned i membranens lipidlag” og her lave huller. Resultatet er membranforstyrrelse og/eller lysering af cellerne, hvilket er ensbetydende med cellens død (Figur 3).
AMPs selektivitet over for mikrobielle membraner afhænger bl.a. af membransammensætning (lipid, protein, kulhydrat), membranens ladning (negative lipider vs. neutrale lipider) samt membranpotentialet (spændingsforskellen over membranen). Mikrobielle membraner består primært af negative lipider, mens de hos planter og dyr primært består af neutrale lipider. Som konsekvens af denne fundamentale forskel mellem prokaryoter og eukaryoter bindes de cationiske AMP bedre til mikrobielle membraner end til planter og dyrs membraner. Netop det, at AMP er specifikke over for en så fundamental del af cellen som membranen, gør, at sandsynligheden for at der udvikles resistens, er minimal i forhold til de konventionelle antibiotikaer, vi kender i dag.
En celle kan ikke eksistere uden en cellemembran. Der er utroligt mange mekanismer i cellen, der er afhængige af, at membranen er, som den altid har været. Skulle cellen ændre sin membran, og derved blive resistent over for AMP, ville det kræve, at de mekanismer, der var afhængige af membranen, også ændrede sig samtidigt. Der er dog eksempler på bakterier, der er mindre følsomme over for nogle AMP, uden dog at være resistente. Stafylokokker og Salmonellabakterier kan ændre deres membran og cellevæg på forskellige måder for at mindske den negative ladning og dermed AMPs tiltrækning til membranen. Hos andre bakterier har man fundet proteaser, der nedbryder specifikke typer af AMP, hvilket også er med til at gøre disse bakterier mindre følsomme, men stadig ikke resistente.
Nyere forskning har vist, at nogle AMP primært virker på specifikke molekyler i cellen (som en nøgle i en lås) ligesom konventionel antibiotika. Peptiderne bruger deres cationiske og amfipatiske egenskaber til at binde sig til membranen og/eller gennemtrænge membranen for at få adgang til intracellulære mål der f.eks. kan være proteinsyntesen eller DNA-replikationen.
Der er på nuværende tidspunkt identificeret mere end 1000 forskellige AMP. Disse kan kategoriseres efter deres sekundære og tertiære struktur samt aminosyresammensætning – f.eks.:
I vil i dette projekt stifte bekendtskab med en de første tre førnævnte grupper. Disse vil være gemt i DNA-sekvenser I får udleveret. Det vil være jeres opgave at finde og karakteriser et sådant AMP ved hjælp af bioinformatiske værktøjer udviklet ved Institut for Systembiologi.
Idet AMP netop er meget enkle i opbygning, er de ideelle som emne, når man skal lære om proteiner, cellemembraner og ikke mindst bioinformatik. Derfor vil I, inden I skal lave rapporten, komme gennem et teoriafsnit bestående af artikler om disse områder skrevet af de førende eksperter inden for hvert område.
God fornøjelse!
Læs mere:
DANMAP
DANMAP er et dansk projekt, hvor en række institutioner, bl.a., Statens Serum Institut, følger resistensudviklingen i Danmark.
Nobelprisen i medicin i 1945
Nobelprisen i medicin blev i 1945 givet til sir Alexander Fleming og to andre forskere for deres arbejde med opdagelsen og udviklingen af penicillin.