japanska vetenskapsmän, inklusive forskare vid Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT) och Yokohama National University, har identifierat den molekylära mekanism som ger hudutsöndringar av en art av groda effektiva antimikrobiella egenskaper. Deras resultat publicerades den 20 februari, 2019 i ACS Applied Bio Materials .

De Bombina variegata groda, även känd som Yellow Bellied Toad, bor i skogar, gräsmarker, våtmarker, och livsmiljöer i hela Europa. Deras hudutsöndringar innehåller antimikrobiella medel – kallade Bombinin H2 och H4 – som spelar en nyckelroll för att skydda arten mot infektion.

Bombinin H2 och H4 är antimikrobiella peptider (AMP) - eller värdförsvarspeptider - som spelar en viktig funktion i immunsvaret. De har uppmärksammats för sin förmåga att hämma Leishmaniasis, en mycket smittsam och potentiellt dödlig tropisk sjukdom som har drabbat uppskattningsvis 20 miljoner människor världen över, med 1,3 miljoner nya fall och 20, 000 till 30, 000 dödsfall rapporteras varje år.

H4 är en isomer av H2 - de delar samma formel men atomerna i molekylen är ordnade på olika sätt - med H4 som har en naturligt förekommande D-aminosyra i slutet av molekylkedjan. När det gäller dess antimikrobiella egenskaper, H4 är mer potent än H2, men tills nu, orsaken har förblivit ett olöst biologiskt mysterium.

"D- och L-aminosyror är spegelbilder av varandra, och de flesta aminosyror i naturen har L-struktur, " förklarar Ryuji Kawano, Docent vid institutionen för bioteknik och livsvetenskap vid TUAT och medförfattare till studien. "Några få proteiner är modifierade för att ha D-aminosyror. Rollen av att ha D-aminosyror är inte helt klarlagd när det gäller grodan."

För att få en bättre förståelse för den molekylära mekanismen som driver den antimikrobiella aktiviteten av Bombinin H2 och H4 peptider och vad som gör H4 mer effektivt än H2 i detta avseende, författarna genomförde elektrofysiologiska experiment på ett lipid tvåskiktsmembran som replikerade lipidmembranet som omger celler eller mikroorganismer. Resultaten analyserades sedan med hjälp av befintliga AMP-modeller för att bestämma hur effektiva dessa antimikrobiella peptider är för att störa cellmembranet hos mikrober.

Teamet fann att H2- och H4-peptider hämmar mikrobiell aktivitet genom att göra hål i cellmembranet hos mikroorganismer som får joner att läcka ut ur cellen, som till slut dödar dem. Effektiviteten av denna antimikrobiella aktivitet påverkas av jonpermeabilitet (hur snabbt joner läcker ut ur cellen), hastigheten för porbildning, och storleken på de bildade porerna.

Resultaten tyder på att peptidernas förmåga att omvandlas till en annan molekyl med samma atomsammansättning men med olika arrangerade atomer underlättar snabbare porbildning. Medan H2 bildar större porer än H4, H4 bildar porer snabbare. En blandning av H2/H4, under tiden, bildar medelstora porer i långsammare takt än H4, men närvaron av D-aminosyran ökar bindningsaffiniteten till lipidmembranet, och förbättrar därmed dess störande förmåga.

Tänk på det som ett fält av olika stora gropfällor; större fällor tar längre tid att gräva, men kan fånga fler djur än en mindre grop. Å andra sidan, man kan gräva många mindre gropar på samma tid som det tar att gräva bara några få stora. Gräva medelstora gropfällor och lägga till bete eller ett bete som skulle locka djur till gropen, skulle vara den mest effektiva metoden av alla.

Att upptäcka den molekylära mekanismen som underlättar antimikrobiell aktivitet hos dessa peptider kan hjälpa oss att bättre förstå hur grodens försvarssystem har utvecklats, och hur detta kan användas för att bekämpa mikrobiella infektioner av medicinsk betydelse. Enligt Kawano, det slutliga målet är att använda denna mekanism för att utveckla bättre antimikrobiella medel, speciellt antimikrobiella medel som är effektiva mot antibiotikaresistenta bakterier.