Новозеландские ученые из Университета Отаго используют силу пептидов — крошечных белковых молекул, вырабатываемых самим организмом, — для создания спрея, который поможет мясной промышленности решить проблемы, связанные с бактериальным загрязнением и порчей мяса.
Вот верный признак просроченного мяса: липкая, скользкая оболочка, сопровождающаяся неприятным запахом. Это не просто очевидный сигнал выбросить эти вонючие сосиски в мусорное ведро, а признак сложной системы защиты бактерий, которую группа ученых из Университета Отаго пытается разгадать.
«Биопленки» — это плотная матрица из микробных клеток, которую создают бактериальные сообщества, чтобы изолироваться от всего, что может им навредить, будь то тепло, холод или вода.
Например, как только они надежно заберутся в кусок неупакованного стейка в холодильнике, они смогут начать его перерабатывать и извлекать из него питательные вещества, что приведет к классическим признакам порчи.
Однако, по словам доцента-микробиолога Даниэля Плетцера, биопленки не всегда доставляют столько неудобств — они служат убежищем для полезных бактерий, живущих в нашем кишечнике и помогающих нам функционировать. «Это просто естественный способ защиты бактерий, и они становятся проблемой только тогда, когда мы имеем дело с патогенами, которые необходимо лечить», — говорит он.
Поскольку биопленки упорно блокируют действие традиционных чистящих средств и антибиотиков, ученые разработали такие решения, как антибиопленочные покрытия для поверхностей. Плетцер и его коллеги из факультета биомедицинских наук Университета Отаго используют совершенно другой подход, применяя пептиды — крошечные молекулы, которые служат строительными блоками жизни.
Мы можем представить их как короткие, мощные цепочки аминокислот. В то время как белки — это длинные, сложные структуры, выполняющие большую часть работы в наших клетках, пептиды похожи на своих более мелких и подвижных собратьев. Они действуют как посредники, указывая клеткам и системам, что делать — будь то борьба с инфекцией, заживление раны или отправка сигнала в определенную часть тела.
«Как только мы сталкиваемся с вирусом, паразитом или бактерией, первое, что делает наш организм, — это вырабатывает функциональные пептиды для борьбы с ними», — говорит Плетцер.
Получив ценные сведения о некоторых пептидах, Плетцер и его коллега, микробиолог доктор Сэм Уорделл, задумались над тем, как можно было бы преобразовать свои научные данные в новый практический инструмент. «Все началось с того, что мы с Сэмом поговорили о том, какие исследования мы могли бы провести, что важно для Новой Зеландии и как мы могли бы внести свой вклад в решение проблемы», — говорит Плетцер.
Уорделл, имеющий связи с крупным кооперативом по производству красного мяса Alliance Group NZ, говорит, что первичный сектор экономики страны стал очевидной областью, которая могла бы извлечь выгоду. «Поэтому мы спросили наших партнеров в Alliance: с какими проблемами вы сталкиваетесь ежедневно? И как только мы упомянули бактерии, они указали на проблемы с загрязнением и порчей».
На долю продуктов из красного мяса приходится около 15% от общего объема экспортных поступлений Аотеароа (Новой Зеландии). Хотя ежегодно менее 1% этой продукции отбраковывается из-за порчи или загрязнения, это все равно означает упущенную прибыль в десятки миллионов долларов.
Уорделл отмечает, насколько высоки ставки в вопросах биобезопасности пищевых продуктов: даже слабоположительный результат теста на бактерии Shigella dysenteriae и некоторые штаммы Escherichia coli (STEC/EHEC), продуцирующие опасный кишечный токсин Шига, может привести к потере доступа к целым рынкам. «Поэтому, если мы внезапно не сможем экспортировать продукцию в целую страну, это станет огромной проблемой для такой страны, как Новая Зеландия, которая в первую очередь занимается экспортом».
В настоящее время в отрасли применяются такие методы обработки, как промывание туш горячей водой — обычно энергоемкий процесс — или использование слабых химических растворов, которые не принимаются на некоторых зарубежных рынках. Предложенное Плетцером и Уорделлом решение — это спрей, специально разработанный для борьбы с бактериями, образующими биопленки, который можно наносить на мясо на перерабатывающих предприятиях. Но сначала им нужно найти подходящие пептиды для этой задачи.
В рамках трехлетней программы, недавно получившей грант в размере 1 миллиона долларов, их команда изучает пептиды «защиты организма» ("host defense"` peptides, HDP). HDP, являющиеся ключевым компонентом иммунной системы животных, как недавно было показано, способны уничтожать бактерии, в том числе и те, которые находятся в биопленках.
Используя искусственный интеллект и вычислительные алгоритмы, команда уже проанализировала генетические данные крупного рогатого скота и овец, чтобы найти наиболее перспективных кандидатов. На данный момент им удалось сузить круг поиска с тысяч возможных вариантов до примерно 400 кандидатов, которые сейчас синтезируются для тестирования в лаборатории.
«Десять лет назад на составление такого списка пептидных структур ушло бы от нескольких недель до нескольких месяцев, а теперь это можно сделать за одну ночь», — говорит Плетцер.
Команда проводит скрининг кандидатов на устойчивость к распространенным бактериям, вызывающим порчу продуктов, таким как кишечная палочка, а также к «полезным» бактериям, таким как лактобактерии, которые помогают поддерживать баланс микробиома. Они надеются найти пептид или, возможно, их комбинацию, которые смогут воздействовать на бактерии, образующие биопленки, не причиняя вреда полезным бактериям.
Исследователи также тесно сотрудничают с партнерами из Alliance Group, которые оказывают консультативную помощь и будут участвовать во внедрении технологии на предприятиях. Плетцер говорит, что в случае успеха проекта его применение может выйти за рамки производства мяса. Это может включать обработку доильного оборудования для предотвращения таких заболеваний, как мастит, или медицинских приборов для снижения уровня загрязнения.
В более широком смысле, это может способствовать растущему глобальному движению за сокращение использования химических чистящих средств и антибиотиков широкого спектра действия, которые способствовали появлению устойчивых к антибиотикам «супербактерий».
В исследовании, опубликованном в журнале npj Biofilms and Microbiomes, команда продемонстрировала, как в сочетании со специфическим пептидом мощный антибиотик колистин может бороться с бактериями, которые обычно не поддаются лечению. Это открыло захватывающую возможность использования пептидов в качестве ключа к борьбе с более трудноуничтожимыми бактериями, одновременно помогая снизить потребность в антибиотиках.
Ученые также стремятся найти пептиды с «иммуномодулирующей активностью» — то есть такие, которые могут усиливать собственную иммунную систему организма для борьбы с инфекциями, а не убивать бактерии напрямую.
Плетцер говорит, что одним из наиболее многообещающих аспектов пептидов является то, что бактерии, по-видимому, не вырабатывают к ним устойчивость так быстро, как к традиционным антибиотикам. Он объясняет, что их уникальная сила заключается в механизме их действия.
Многие антимикробные пептиды действуют за счет положительного заряда, который заставляет их притягиваться к отрицательно заряженной клеточной мембране бактерий. Затем молекулы пептида группируются вокруг бактериальной клетки, вызывая ее фактическое разрушение. Другие пептиды проникают через клеточную стенку и нарушают внутренние функции, такие как репликация ДНК.
Поскольку пептиды воздействуют на несколько мишеней и не зависят от активного метаболизма бактерий, развитие резистентности к ним происходит гораздо сложнее, говорит Плетцер: «Традиционно антибиотики воздействуют на одну мишень в бактериях, тогда как пептидам все равно, активны бактерии или нет — им просто нужно присутствовать».
Однако Плетцер и Уорделл подчеркивают, что не утверждают, будто нашли противоядие от нарастающего глобального кризиса здравоохранения, связанного с устойчивостью к антибиотикам. «Речь скорее идет о том, как эти пептиды можно использовать для усиления действия существующих антибактериальных и противомикробных препаратов», говоря исследователи.
В конечном итоге, говорит Плетцер, основная задача его лаборатории — найти способ выиграть долгую игру против проблемных микроорганизмов: «Мы не обещаем новый препарат, который уничтожит все эти устойчивые к множеству лекарств патогены, — мы просто пытаемся найти способ замедлить их распространение».
Источник: University of Otago.
На заглавном фото: научная группа доцента Даниэля Плетцера и доктора Сэма Уорделла посетила завод Alliance Group Limited в Лорневилле, чтобы встретиться с персоналом, понаблюдать за работой овцеводческих хозяйств и получить представление о процессах переработки баранины. Слева направо: менеджер по техническому соответствию Alliance Group Limited Брэдли Крофт, Молли Плейер, профессор Фил Бремер, доцент Даниэль Плетцер, доктор Шармила Джаятилаке, доктор Сэм Уорделл, доктор Шилпа Наир и Эван Фредерик. Источник: University of Otago.