Прогнозирование действия энзимов для извлечения веществ с антимикробной направленностью действия из организмов Sus scrofa и Bos taurus

Изучение антимикробных соединений животного происхождения, в частности антимикробных пептидов (АМП), является актуальной темой исследований в последнее время. Тем не менее извлечение эндогенных АМП является затруднительным процессом и требует применения принципов направленной энзиматической обработки на основании знаний о строении препропептидных молекул — предшественников АМП. В данной работе был проведен поиск присутствующих в организмах Sus scrofa и Bos taurus антимикробных пептидов, а также их предшественников с помощью баз данных The Antimicrobial Peptide Database и UniProtKB. В аминокислотных последовательностях препропептидов находили последовательность зрелого пептида и определяли сайты расщепления для трипсина, бактериальной коллагеназы (тип I) и нейтрофильной эластазы. По итогам поиска антимикробных соединений в базе данных The Antimicrobial Peptide Database было выявлено 18 антимикробных пептидов Sus scrofa и 40 антимикробных пептидов Bos taurus. Согласно результатам определения сайтов расщепления в предшественниках АМП, энзимы были распределены от менее предпочтительного к более предпочтительному для высвобождения АМП следующим образом: бактериальная коллагеназа (тип I) ≤ трипсин < нейтрофильная эластаза. Такой порядок обоснован не только количеством подходящих сайтов расщепления и их точностью, но и действием ферментов внутри зрелых АМП: важно учитывать, что энзимы могут «разрезать» сами пептиды, снижая тем самым их антимикробную активность. Проведенный биоинформатический анализ применим как для осуществления первичного скрининга потенциала сырья, так и для определения подходящих энзимов с целью извлечения антимикробных соединений из организмов Sus scrofa и Bos taurus.

1. Saga, T., Yamaguchi, K. (2009). History of antimicrobial agents and resistant bacteria. Japan Medical Association Journal, 52(2), 103–108.

2. Gensini, G. F., Conti, A. A., Lippi, D. (2007). The contributions of Paul Ehrlich to infectious disease. Journal of Infection, 54(3), 221–224. https://doi.org/10.1016/j.jinf.2004.05.022

3. Wang, J., Dou, X., Song, J., Lyu, Y., Zhu, X., Xu, L. et al. (2019). Antimicrobial peptides: Promising alternatives in the post feeding antibiotic era. Medicinal Research Reviews, 39(3), 831–859. https://doi.org/10.1002/med.21542

4. Magana, M., Pushpanathan, M., Santos, A. L., Leanse, L., Fernandez, M., Ioannidis, A. et al. (2020). The value of antimicrobial peptides in the age of resistance. The Lancet Infectious Diseases, 20(9), e216–e230. https://doi.org/10.1016/S14733099(20)30327-3

5. Bechinger, B., Gorr, S.-U. (2017). Antimicrobial peptides: Mechanisms of action and resistance. Journal of Dental Research, 96(3), 254–260. https://doi.org/10.1177/0022034516679973

6. APD3: Antimicrobial Peptide Database. Retrieved from https://aps.unmc.edu/. Accessed January 24, 2024.

7. Katedra Biochemii Żywności. Bioactive peptide databases. Retrieved from https://biochemia.uwm.edu.pl/bioactive-peptide-databases/. Accessed January 24, 2024.

8. Huan, Y., Kong, Q., Mou, H., Yi, H. (2020). Antimicrobial peptides: Classification, design, application and research progress in multiple fields. Frontiers in Microbiology, 11, Article 582779. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.582779

9. Bhattacharjya, S., Mohid, S. A., Bhunia, A. (2022). Atomic-resolution structures and mode of action of clinically relevant antimicrobial peptides. International Journal of Molecular Sciences, 23(9), Article 4558. https://doi.org/10.3390/ijms23094558

10. Reddy, K. V. R., Yedery, R. D., Aranha, C. (2004). Antimicrobial peptides: Premises and promises. International Journal of Antimicrobial Agents, 24(6), 536–547. https://doi.org/10.1016/j.ijantimicag.2004.09.005

11. Hanson, M. A., Lemaitre, B., Unckless, R. L. (2019). Dynamic evolution of antimicrobial peptides underscores trade-offs between immunity and ecological fitness. Frontiers in Immunology, 10, Article 2620. https://doi.org/10.3389/fimmu.2019.02620

12. Zhang, L.-J., Gallo, R. L. (2016). Antimicrobial peptides. Current Biology, 26(1), R14–R19. https://doi.org/10.1016/j.cub.2015.11.017

13. Keymanesh, K., Soltani, S., Sardari, S. (2009). Application of antimicrobial peptides in agriculture and food industry. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 25(6), 933–944. https://doi.org/10.1007/s11274-009-9984-7

14. Barashkova, A. S., Rogozhin, E. A. (2020). Isolation of antimicrobial peptides from different plant sources: Does a general extraction method exist? Plant Methods, 16(1), Article 143. https://doi.org/10.1186/s13007-020-00687-1

15. Sultana, A., Luo, H., Ramakrishna, S. (2021). Harvesting of antimicrobial peptides from insect (Hermetia illucens) and its applications in the food packaging. Applied Sciences, 11(15), Article 6991. https://doi.org/10.3390/app1115699

16. Vizioli, J., Salzet, M. (2002). Antimicrobial peptides from animals: Focus on invertebrates. Trends in Pharmacological Sciences, 23(11), 494–496. https://doi.org/10.1016/S0165-6147(02)02105-3

17. UniProt Protein Database. Retrieved from http://www.uniprot.org/. Accessed January 24, 2024.

18. Dau, T., Bartolomucci, G., Rappsilber, J. (2020). Proteomics using protease alternatives to trypsin benefits from sequential digestion with trypsin. Analytical Chemistry, 92(14), 9523–9527. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.0c00478

19. Trypsin-1. Retrieved from https://www.uniprot.org/uniprot/P07477. Accessed January 25, 2024.

20. Bioinformatics explained: Proteolytic cleavage. QIAGEN Digital Insights. Retrieved from https://resources.qiagenbioinformatics.com/manuals/clcgenomicsworkbench/650/BE_Proteolytic_cleavage.html. Accessed February 6, 2024.

21. Ebbensgaard, A., Mordhorst, H., Overgaard, M. T., Nielsen, C. G., Aarestrup, F. M., Hansen, E. B. (2015). Comparative evaluation of the antimicrobial activity of different antimicrobial peptides against a range of pathogenic bacteria. PLoS ONE, 10(12), Article e0144611. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0144611

22. Daneshi, M., Caton, J. S., Caixeta, L. S., Eftekhari, Z., Ward, A. K. (2023). Expression, regulation, and function of β-defensins in the bovine mammary glands: Current knowledge and future perspectives. Animals, 13(21), Article 3372. https://doi.org/10.3390/ani13213372

23. Elastase, neutrophil expressed. Retrieved from https://www.uniprot.org/uniprot/A0A286ZN14. Accessed January 24, 2024.

24. Vizovišek, M., Vidmar, R., Fonović, M., Turk, B. (2016). Current trends and challenges in proteomic identification of protease substrates. Biochimie, 122, 77–87. https://doi.org/10.1016/j.biochi.2015.10.017

25. Degasperi, M., Sgarra, R., Mardirossian, M., Pacor, S., Maschio, M., Scocchi, M. (2022). Elastase-activated antimicrobial peptide for a safer pulmonary treatment of cystic fibrosis infections. Antibiotics, 11(3), Article 319. https://doi.org/10.3390/antibiotics11030319

26. Collagenase ColG. Retrieved from https://www.uniprot.org/uniprotkb/Q9X721/entry. Accessed February 6, 2024.

27. Eckhard, U., Huesgen, P. F., Brandstetter, H., Overall, C. M. (2014). Proteomic protease specificity profiling of clostridial collagenases reveals their intrinsic nature as dedicated degraders of collagen. Journal of Proteomics, 100, 102–114. https://doi.org/10.1016/j.jprot.2013.10.004

28. Cantisani, M., Finamore, E., Mignogna, E., Falanga, A., Nicoletti, G. F., Pedone, C. et al. (2014). Structural insights into and activity analysis of the antimicrobial peptide myxinidin. Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 58(9), 5280–5290. https://doi.org/10.1128/AAC.02395-14

29. Лукинова, E. A., Котенкова, E. A., Полищук, E. K. (2018). Изучение антимикробных свойств биологически активных веществ животного происхождения в зависимости от методологии их выделения. Теория и практика переработки мяса, 3(3), 27–35. https://doi.org/10.21323/2414-438X-2018-3-3-27-35

30. Кораблева, Е. С., Берлов, У., Андреева, Ю. В., Кокряков, В. Н. (2007). Антимикробный пептид из лейкоцитов собаки: структурно-функциональные свойства. Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 3. Биология, 3, 80–88.

31. Юхнев, В. А., Шартукова, М. А., Луговкина, Н. В., Кокряков, В. Н., Шамова, О. В. (2014). Поиск новых антимикробных пептидов из семейства кателицидинов и дефенсинов в лейкоцитах лося (Alces alces). Вестник СПбГУ. Серия 3. Биология, 1, 115–131.

32. Wirnt, R. (1965). Trypsin. Chapter in a book: Methods of Enzymatic Analysis. Academic Press, 1965. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-395630-9.50146-8

33. Creative Enzymes. Collagenase. Retrieved from https://www.creative-enzymes.com/similar/collagenase_148.html. Accessed February 5, 2024.

34. Korkmaz, B., Gauthier, F. (2013). Elastase-2/Leukocyte Elastase. Chapter in a book: Handbook of Proteolytic Enzymes. Academic Press, 2013. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-382219-2.00587-1

35. Expasy. PeptideCutter. Retrieved from https://web.expasy.org/peptide_cutter/. Accessed February 5, 2024.