Wykorzystanie systemów transportu sideroforów do wprowadzania peptydowych kwasów nukleinowych do komórek bakterii

Trudność w projektowaniu nowych antybiotyków jest związana z ich dostarczaniem do komórek bakterii. Cytoplazma bakterii jest otoczona złożoną warstwą ochronną i większość antybiotyków musi przez nią przejść, aby spełnić swoją rolę. Zazwyczaj, bakterie nie wchłaniają związków, które nie są im potrzebne do wzrostu lub metabolizmu. Jednym z podejść jest wykorzystanie strategii konia trojańskiego i połączenie antybiotyku z cząsteczką naturalnie absorbowaną przez bakterie, która w efekcie dostarczy dany antybiotyk to komórki. Niestety, takie nośniki mogą zależeć od typu bakterii i dostarczanego antybiotyku, więc są trudne do zidentyfikowania czy zaprojektowania. Dodatkowo, mechanizm dostarczania powinien być dobrze rozpoznany, aby można było mądrze zaprojektować nośnik.

Jako nośniki wykorzystamy cząsteczki naturalnie zaangażowane w bakteryjny transport żelaza. Żelazo jest niezbędne bakteriom do wzrostu, ale w środowisku występuje w postaci
nierozpuszczalnej. W ramach strategii pozyskiwania żelaza, bakterie wydzielają chelatory żelaza, zwane sideroforami. Te naturalne związki wyszukują żelazo i wiążą je z dużym powinowactwem. Następnie, kompleks sideroforu z jonem żelazowym wraca do komórki przez receptory błony zewnętrznej, rozpoznające takie kompleksy. Zatem analogi sideroforów mogą być dobrymi kandydatami na nośniki związków aktywnych do bakterii. Planujemy wykorzystać siderofory i ich systemy transportu, aby dostarczyć cząsteczki do komórek bakterii.

Cząsteczki, które zamierzamy dostarczyć to krótkie oligonukleotydy. Zaprojektujemy je tak, aby oddziaływały z bakteryjnym RNA zgodnie z zasadami parowania zasad typu Watsona-Cricka.
Poprzez takie komplementarne wiązanie, oligonukleotydy zablokują produkcję kluczowego białka, tym samym hamując wzrost bakterii. Jednak, naturalne oligonukleotydy są niestabilne, więc zastosujemy syntetyczne oligomery peptydowych kwasów nukleinowych (PNA). Oligomery PNA efektywnie oddziałują z RNA i nie są rozkładane w komórkach. Niestety, bakterie samoczynnie nie pobierają oligonukleotydów, w tym PNA, ze środowiska. Nasza strategia opiera się na zaprojektowaniu przeciwbakteryjnego PNA i kowalencyjnym połączeniu go z sideroforem jako nośnikiem, co spowoduje transport PNA do komórek bakterii. Komputerowo wspomagane projektowanie analogu sideroforu zapewni rozpoznanie koniugatu przez specyficzny dla sideroforu receptor błony zewnętrznej i pobranie go do cytoplazmy z jednoczesnym “wciągnięciem” cząsteczki PNA.

Co ważne, metabolizm żelaza odgrywa kluczową rolę w infekcjach bakteryjnych; w organizmie gospodarza dostępność żelaza jest ograniczona, więc bakterie wydzielają siderofory. Na naszą
korzyść działa fakt, że naturalne antybiotyki, sideromycyny, które składają się z sideroforu połączonego z antybiotykiem, stosują podobną strategię przejścia przez błonę bakteryjną.

Podsumowując, zaprojektujemy, przeprowadzimy syntezy i przetestujemy koniugaty zbudowane z analogu sideroforu jako nośnika i antybakteryjnej sekwencji PNA. Naszym celem jest opracowanie nieinwazyjnego sposobu dostarczania antybakteryjnego PNA do komórek bakterii Gram-ujemnych przez bakteryjne systemy transportu żelaza i przeprowadzenie pełnoatomowych symulacji tego transportu.