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Recensione di pubblicazione da progetto FFC

17 settembre 2018

Esperimenti e computer individuano tre peptidi antimicrobici, potenziali antibiotici del futuro

Flaminia Malvezzi

Durante l’estate una notizia scientifica riguardante una classe di nuovi antibiotici, gli antibiotici del futuro “nascosti nell’uomo”, è rimbalzata da una testata giornalistica all’altra (1). Si tratta di uno studio portato avanti da un team internazionale di ricerca, tra cui attori principali sono Eugenio Notomista e Eliodoro Pizzo dell’Università Federico II di Napoli, ricercatori finanziati da FFC dal 2013 per svolgere ricerche mirate a trovare nuovi agenti antimicrobici, attraverso i progetti 12/2014 (continuazione di 11/2013), 20/2014 e 16/2017. Il filone di ricerca, che la Fondazione persegue da molti anni, è quello di cercare una soluzione alla resistenza agli antibiotici, attraverso lo studio di molecole antimicrobiche chiamate peptidi (AMPs: antimicrobial peptides). I peptidi sono delle molecole di natura proteica, veri e propri frammenti di proteine, costituite dal legame di pochi aminoacidi (tra i 12 e i 50), e sono molecole cariche positivamente e tipicamente contengono un’elevata percentuale di aminoacidi idrofobici (non solubili, che non amano l’ambiente acquoso), che vengono respinte dall’acqua. Sono naturalmente presenti in tutti gli organismi viventi e costituiscono degli antibiotici non convenzionali in quanto si legano alla membrana microbica (attraverso interazioni di tipo elettrostatico e idrofobico), alterando la membrana stessa e portando così alla morte della cellula batterica.

La notizia circolata attraverso i media riguarda una recente pubblicazione (2), frutto dei progetti FFC sopracitati, in cui gli autori riportano i risultati delle loro ricerche, svolte sia utilizzando un approccio sperimentale sia attraverso l’analisi al computer, tramite un opportuno software che individua dove vi siano gruppi chimici in grado di neutralizzare i batteri, di una folta libreria di peptidi. Il peptide individuato al calcolatore come il più promettente è un frammento di 47 aminoacidi del pepsinogeno A, a sua volta precursore della importante proteina umana chiamata pepsina-A (proteasi dello stomaco, coinvolta quindi nella digestione delle proteine). Oltre a questo peptide, nella sequenza dei suoi 47 aminoacidi, sono stati studiati anche due ulteriori frammenti, che risultano molto interessanti. Il lavoro (2) mostra come questi tre peptidi, da soli o mescolati tra loro, siano risultati in grado di uccidere almeno tre tipi di batteri, ossia Salmonella typhi, Escherichia coli e Pseudomonas aeruginosa, quest’ultimo particolarmente importante per i malati di fibrosi cistica. In particolare, i tre peptidi non hanno mostrato alcuna tossicità in cellule umane e presentano un’azione antinfettiva in vivo, riducendo fino a 4 volte la carica batterica in un modello murino di infezione epiteliale.

Questi studi sono interessanti per più ragioni: da una parte, i peptidi studiati rappresentano una nuova classe promettente di antibiotici e si potrà eventualmente partire da essi per modificarli chimicamente e ottenerne forme più efficaci contro i batteri. Dall’altra mostrano come, attraverso un’analisi computazionale guidata, si possa arrivare alla scoperta di antibiotici da sorgenti finora inesplorate. Rimane il nodo da sciogliere del metodo di somministrazione: i peptidi vengono digeriti e quindi sicuramente non possono essere presi per bocca. La Fondazione si impegna da tempo anche su questo versante di ricerche.

Finanziati da FFC 12/2014 (continuazione di FFC 11/2013), FFC 20/2014 e FFC 16/2017. Coordinati a E. Notomista e E. Pizzo dell’Università Federico II di Napoli, con il supporto di adozione di Antonio Guadagnin e figlio, Delegazione FFC di Olbia Tempio, Delegazioni FFC di Palermo e di Vittoria–Ragusa-Catania 2, Gruppo di Sostegno FFC di San Giovanni Rotondo, Delegazione FFC di Reggio Calabria, Guadagnin srl.

Novel approaches are needed to combat antibiotic resistance. Here, we describe a computational-experimental framework for the discovery of novel cryptic antimicrobial peptides (AMPs). The computational platform, based on previously validated antimicrobial scoring functions, indicated the activation peptide of pepsin A, the main human stomach protease, and its N- and C-terminal halves as antimicrobial peptides. The three peptides from pepsinogen A3 isoform were prepared in a recombinant form using a fusion carrier specifically developed to express toxic peptides in Escherichia coli. Recombinant pepsinogen A3-derived peptides proved to be wide-spectrum antimicrobial agents with MIC values in the range 1.56-50 μM (1.56-12.5 μM for the whole activation peptide). Moreover, the activation peptide was bactericidal at pH 3.5 for relevant foodborne pathogens, suggesting that this new class of previously unexplored AMPs may contribute to microbial surveillance within the human stomach. The peptides showed no toxicity toward human cells and exhibited anti-infective activity in vivo, reducing by up to 4 orders of magnitude the bacterial load in a mouse skin infection model. These peptides thus represent a promising new class of antibiotics. We envision that computationally guided data mining approaches such as the one described here will lead to the discovery of antibiotics from previously unexplored sources.

1) ansa.it/canale_scienza_tecnica/notizie/biotech/2018/08/22/gli-antibiotici-del-futuro-nascosti-nelluomo-_c7224139-59dc-4ae5-b293-631d266d4f7f.html
2) Pane K, Cafaro V, Avitabile A, Torres MT, Vollaro A, De Gregorio E, Catania MR, Di Maro A, Bosso A, Gallo G, Zanfardino A2, Varcamonti M2, Pizzo E, Di Donato A, Lu TK, de la Fuente-Nunez C, Notomista E. Identification of Novel Cryptic Multifunctional Antimicrobial Peptides from the Human Stomach Enabled by a Computational-Experimental Platform. ACS Synth Biol. 2018 Aug 20. doi: 10.1021/acssynbio.8b00084.