Kunstige forsvarspeptider – en ny måde at dræbe bakterier på

I løbet af evolutionen har svampe, planter og dyr udviklet en særlig type forsvarsstoffer - antimikrobielle peptider - der fungerer som et forsvar imod sygdomsfremkaldende bakterier. Forsvarspeptiderne er genstand for en betydelig medicinsk interesse, fordi de dræber bakterier på en måde, der gør det meget svært for bakterierne at udvikle resistens.
Den slags lægemidler er der i høj grad brug for, fordi der verden over er stigende problemer med multiresistente bakteriestammer, som tåler penicillin og andre traditionelle antibiotika. Fordelen ved antimikrobielle peptider er, at bakterier ikke kan blive modstandsdygtige ved simple genetiske mutationer eller via overførsel af vidt udbredte resistensgener fra andre bakterier.
Mange naturlige antimikrobielle peptider har domæner på deres overflade, som er domineret af positive ladninger. De positive domæner binder sig til den negativt ladede overflade af bakteriernes cellemembran og ødelægger den. Den nøjagtige virkningsmekanisme er omdiskuteret og indebærer muligvis en blanding af flere forskellige effekter. Der er dog enighed om, at peptiderne skader den allerede eksisterende cellemembran.
Peptidernes virkningsmekanisme er interessant, fordi bakterierne kun kan opnå resistens ved at forandre selve sammensætningen af deres cellemembran radikalt, og det kræver et stort antal samtidige og koordinerede mutationer. Derfor er bakteriernes muligheder for at udvikle resistens over for antimikrobielle peptider ringere end over for traditionelle antibiotika.
Men hvad så med menneskeceller? Kan vore egne cellemembraner ryge med i købet? Her er det imidlertid så heldigt, at bakteriers cellemembraner har flere negative ladninger end cellemembranerne i dyr og mennesker, og det giver mulighed for at opnå et selektivt angreb på de sygdomsfremkaldende bakterier.

Nogle få bakterier er imidlertid i stand til at forsvare sig imod antimikrobielle peptider ved at udskille enzymer, proteaser, som kan nedbryde naturligt forekommende antimikrobielle peptider. Tilsvarende enzymer findes også i menneskets fordøjelsessystem, og det umuliggør anvendelsen af naturlige antimikrobielle peptider i tabletter. De må i stedet injiceres.
Derfor er det interessant at udvikle antimikrobielle peptider, som indeholder unaturlige byggeblokke, da disse kunstige peptider ikke påvirkes af enzymer, som kun genkender de naturlige peptider. Peptider med unaturlige byggeblokke vil have længere levetid i organismen og dermed større effektivitet og kan derfor anvendes i lavere doser i et muligt fremtidigt lægemiddel.
Naturlige antimikrobielle peptider består af korte kæder af α-aminosyrer, og man har tidligere indført to typer unaturlige byggesten, der kaldes β-aminosyrer og peptoider. Disse modificerede peptider har vist sig at være i stand til at dræbe bakterier samtidig med, at de udviser god membranselektivitet og høj stabilitet over for proteaser.
Peptider med unaturlige byggesten, som danner foldede 3D-strukturer, kaldes foldamerer, og disse 3D-strukturer er blevet studeret intensivt. Det har givet indsigt i, hvilketyper byggesten, der danner foldede strukturer. Oftest observeres forskellige typer af spiralstrukturer, som er bedst kendt fra DNA’s dobbeltspiral, men som også forekommer i naturlige peptider, der danner den såkaldte α-helix.
For yderligere at udvide mulighederne for valg af 3D-strukturer, der kan anvendes i jagten på nye lægemidler, har vi undersøgt et nyt design, som består af en kombination af unaturlige β-peptider og peptoider. Vores indledende forsøg viste tegn på, at peptidkæderne foldede sig i helixstrukturer, men den kemiske syntese var besværlig. Derfor blev der som hver anden enhed i peptidkæden benyttet en naturlig α-aminosyre, og effektive synteseprocedurer blev udviklet til at fremstille peptidkæder af denne type.

De nye typer foldamerer er blevet undersøgt for dannelse af foldede 3D-strukturer ved hjælp af CD-spektroskopi, der indikerer tilstedeværelse af helixstrukturer til trods for, at en detaljeret viden omkring udseendet af disse spiraler stadig mangler. Da denne viden vil være yderst anvendelig i forbindelse med design af nye molekyler, arbejder vi på at opklare yderligere detaljer omkring foldningen.
I samarbejde med Flemming Steen Jørgensen og Lars Olsen fra Institut for Medicinalkemi er der ved hjælp af computermodellering fundet 3D-modeller, som viser mindst to muligheder for nye helixstrukturer, som er forskellige fra allerede eksisterende foldamerer og biopolymerer. Det langsigtede mål med forskningen er at udvikle kunstige antimikrobielle peptider, som bakterier får svært ved at udvikle resistens imod.