DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50094-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38965232
تاريخ النشر: 2024-07-05
المؤلف: Ye Yuan وآخرون
الموضوع الرئيسي: الببتيدات المضادة للميكروبات والأنشطة
نظرة عامة
تناقش هذه القسم تطوير نانو زيمات الببتيد المصممة لتقليد عمل الببتيدات المضادة للميكروبات الطبيعية (AMPs) والإنزيمات (AMEs) استجابةً للمشكلة المتزايدة لمقاومة المضادات الحيوية (AMR). يقترح الباحثون وحدة بناء بسيطة، IHIHICI، التي تجمع بين الأحماض الأمينية الأساسية من AMPs وAMEs مع الإيزوليوسين الكاره للماء لتسهيل التجميع. تشير النتائج التجريبية إلى أن IHIHICI يشكل أنابيب نانوية حلزونية β-sheet تظهر أنشطة شبيهة بالفوسفوليباز C وأنشطة شبيهة بالبيروكسيداز، مما يدل على استقرار حراري كبير ومقاومة للتحلل الإنزيمي.
تظهر الأنابيب النانوية المجمعة سلسلة من الإجراءات المضادة للفطريات ضد *Candida albicans*، بما في ذلك ربط المانان الخارجي، وتفكيك جدار الخلية، وأكسدة الدهون، والموت الفيروبوتي اللاحق، محققة أكثر من 90% من موت خلايا الفطريات في غضون 10 دقائق على وسادة التعقيم. تسلط هذه النتائج الضوء على استراتيجية تصميم فعالة جديدة لإنشاء مواد ذات آليات مضادة للميكروبات متعددة، مما يعالج الحاجة الملحة لاستراتيجيات مضادة للميكروبات جديدة في ضوء الزيادة المتوقعة في الوفيات المرتبطة بـ AMR بحلول عام 2050.
طرق
في قسم الطرق، تفصل الدراسة المواد المستخدمة في التجارب، مع التأكيد على نقاء الببتيدات العالي (أكثر من 95%) المستمدة من GL Biochem في شنغهاي، الصين. تم الحصول على مجموعة متنوعة من الكواشف من عدة موردين، بما في ذلك الجلوتارالدهيد (2.5%)، وأمفوتيريسين B، ومجموعة اختبار ميكرو توتال ميركابتو من شركة بكين سولاربيو للعلوم والتكنولوجيا المحدودة. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على مركبات ملحية متنوعة، وميترونيدازول، و5-فلوسيتوزين من شركة شنغهاي ماكلين للكيماويات الحيوية المحدودة، بينما تم الحصول على إيتراكونازول وفلوقونازول من جينكلون وشركة شنغهاي يواني للتكنولوجيا الحيوية المحدودة، على التوالي.
شملت المواد الحيوية الأخرى يوديد البروبيديوم (PI)، ومجموعة اختبار GSH وGSSG من بييوتيم للتكنولوجيا الحيوية، ومجموعة اختبار نشاط PLC جنبًا إلى جنب مع صبغة الحمض النووي الفلورية الخضراء Syto9 من شركة ثيرمو فيشر العلمية. علاوة على ذلك، تم الحصول على حمض 8-أنيلينونافثالين-1-سلفونيك (ANS) و3،3ʹ-ديبروبيلثياديسكاربوكسيانيد يوديد (diSC3(5)) من شركة شنغهاي بيفارم للعلوم والتكنولوجيا المحدودة، بينما تم شراء مجس BODIPY 581/591 C11 من سيغما-ألدريتش. تشير هذه القائمة الشاملة من المواد إلى إعداد تجريبي مجهز جيدًا يهدف إلى التحقيق في التفاعلات والأنشطة الكيميائية الحيوية ذات الصلة بأهداف الدراسة.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود علاقة قوية بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. على وجه التحديد، تظهر النتائج أن التدخل المطبق يؤدي إلى تحسين قابل للقياس في النتائج المستهدفة، كما يتضح من المقاييس المستخدمة.
بالإضافة إلى ذلك، تكشف النتائج أن ظروفًا أو معايير معينة تؤثر بشكل كبير على فعالية التدخل، مما يشير إلى طرق محتملة لمزيد من البحث. تدعم النتائج التمثيلات البيانية والجداول التي توضح الاتجاهات والتغيرات الملحوظة طوال الدراسة، مما يعزز صحة الاستنتاجات المستخلصة. بشكل عام، يبرز القسم أهمية النتائج في تعزيز الفهم ضمن هذا المجال ويقترح آثارًا عملية للتطبيقات المستقبلية.
مناقشة
تناقش البحث تصميم وتوصيف ببتيد، IHIHICI، الذي يتجمع ذاتيًا في هياكل نانوية ذات خصائص نانو زيم، facilitated by the use of AlphaFold2, molecular dynamics (MD), and density functional theory (DFT). تحدد الدراسة أن هيكل الهيبتاببتيد، وخاصة مع بقايا كارهة للماء ومحببة للماء بالتناوب، يعزز التجميع الذاتي في هياكل β-sheet، والتي تم التحقق منها تجريبيًا باستخدام مجهر إلكتروني نافذ (TEM). كانت إضافة خلات النيكل (Ni(Ac)₂) حاسمة لاستقرار الهيكل النانوي، مما أدى إلى تشكيل أنابيب نانوية ذات نشاط تحفيزي معزز، مما يقلد الإنزيمات الطبيعية. تسلط الدراسة أيضًا الضوء على أهمية مجموعة الأسيتات في تسهيل عملية التجميع ودور تنسيق المعادن في تعزيز السلامة الهيكلية والوظيفية للببتيد.
علاوة على ذلك، أظهرت الأنابيب النانوية Ni-IH-7 نشاطًا مضادًا للفطريات كبيرًا ضد *Candida albicans*، متفوقة على الببتيد غير المجمّع. أظهرت الأنابيب النانوية استقرارًا عاليًا، ومقاومة للتحلل الإنزيمي، وسُمية خلوية منخفضة، مما يشير إلى إمكاناتها كعوامل مضادة للميكروبات متوافقة حيويًا. تشير النتائج إلى أن الخصائص الهيكلية والوظيفية الفريدة لأنابيب Ni-IH-7 يمكن استغلالها للتطبيقات العلاجية، خاصة في مكافحة العدوى الفطرية. يبرز البحث التآزر بين التصميم الحسابي والتحقق التجريبي في تطوير مواد نانوية جديدة قائمة على الببتيد ذات خصائص شبيهة بالإنزيمات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50094-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38965232
Publication Date: 2024-07-05
Author(s): Ye Yuan et al.
Primary Topic: Antimicrobial Peptides and Activities
Overview
This section discusses the development of peptide nanozymes designed to mimic the action of natural antimicrobial peptides (AMPs) and enzymes (AMEs) as a response to the growing issue of antimicrobial resistance (AMR). The researchers propose a minimal building block, IHIHICI, which combines essential amino acids from AMPs and AMEs with hydrophobic isoleucine to facilitate assembly. Experimental results indicate that IHIHICI forms helical β-sheet nanotubes that exhibit phospholipase C-like and peroxidase-like activities, demonstrating significant thermostability and resistance to enzymatic degradation.
The assembled nanotubes exhibit a cascade of antifungal actions against Candida albicans, including outer mannan docking, cell wall disruption, lipid peroxidation, and subsequent ferroptotic death, achieving over 90% fungal cell death within 10 minutes on a disinfection pad. These findings highlight an effective de novo design strategy for creating materials with multiple antimicrobial mechanisms, addressing the urgent need for novel antimicrobial strategies in light of the projected increase in AMR-related deaths by 2050.
Methods
In the Methods section, the study details the materials utilized for the experiments, emphasizing the high purity of peptides (greater than 95%) sourced from GL Biochem in Shanghai, China. A variety of reagents were procured from several suppliers, including glutaraldehyde (2.5%), Amphotericin B, and a Micro Total Mercapto Assay Kit from Beijing Solarbio Science & Technology Co., Ltd. Additionally, various salt compounds, Metronidazole, and 5-Flucytosine were obtained from Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd., while Itraconazole and Fluconazole were sourced from Jinclone and Shanghai Yuanye Bio-Technology Co., Ltd., respectively.
Other critical materials included Propidium iodide (PI), GSH and GSSG Assay Kit from Beyotime Biotechnology, and a PLC activity Assay Kit along with Syto9 green fluorescent nucleic acid stain from Thermo Fisher Scientific. Furthermore, 8-anilinonapthalene-1-sulfonic acid (ANS) and 3,3ʹ-dipropylthiadicarbocyanine iodide (diSC3(5)) were acquired from Shanghai Bepharm Science & Technology Co., Ltd., while the BODIPY 581/591 C11 probe was purchased from Sigma-Aldrich. This comprehensive list of materials indicates a well-equipped experimental setup aimed at investigating the biochemical interactions and activities relevant to the study’s objectives.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that the intervention applied leads to a measurable improvement in the target outcomes, as evidenced by the metrics used.
Additionally, the findings reveal that certain conditions or parameters significantly influence the effectiveness of the intervention, suggesting potential avenues for further research. The results are supported by graphical representations and tables that illustrate the trends and variations observed throughout the study, reinforcing the validity of the conclusions drawn. Overall, the section underscores the importance of the findings in advancing understanding within the field and suggests practical implications for future applications.
Discussion
The research discusses the design and characterization of a peptide, IHIHICI, that self-assembles into nanostructures with nanozyme properties, facilitated by the use of AlphaFold2, molecular dynamics (MD), and density functional theory (DFT). The study identifies that a heptapeptide structure, particularly with alternating hydrophilic and hydrophobic residues, promotes self-assembly into β-sheet structures, which were experimentally validated using transmission electron microscopy (TEM). The introduction of nickel acetate (Ni(Ac)₂) was crucial for stabilizing the nanostructure, leading to the formation of nanotubes with enhanced catalytic activity, mimicking natural enzymes. The study also highlights the importance of the acetate moiety in facilitating the assembly process and the role of metal coordination in enhancing the structural integrity and functionality of the peptide.
Furthermore, the assembled Ni-IH-7 nanotubes exhibited significant antifungal activity against *Candida albicans*, outperforming the unassembled peptide. The nanotubes demonstrated high stability, resistance to enzymatic degradation, and low cytotoxicity, indicating their potential as biocompatible antimicrobial agents. The findings suggest that the unique structural and functional properties of Ni-IH-7 nanotubes could be harnessed for therapeutic applications, particularly in combating fungal infections. The research underscores the synergy between computational design and experimental validation in developing novel peptide-based nanomaterials with enzyme-like properties.