Możemy pochwalić się pierwszą publikacją z badań na kriomikroskopie elektronowym, który znajduje się w Centrum SOLARIS.

Praca autorstwa Ewy Drab i Kaori Sugihara „Cooperative Function of LL-37 and HNP1 Protects Mammalian Cell Membranes from Lysis” prezentuje, nowe wśród peptydów antybakteryjnych, zjawisko przekierowania niszczącego działania wobec błon patogenu na działanie ochronne, jeśli dotyczy ono błon komórkowych gospodarza.

Kluczem okazuje się sparowanie dwóch peptydów, które umożliwia rozróżnienie pomiędzy patogenem a gospodarzem. Znana z synergistycznego przeciwbakteryjnego działania para peptydów LL-37 oraz HNP1, silnie niszczących błony komórkowe bakterii, zostaje przekierowana na funkcję chroniącą komórki gospodarza przed lizą w zależności od tego, czy celem ich działania są komórki gospodarza czy komórki patogenu.

LL-37 to amfipatyczny ludzki peptyd uwalniany z katelicydyny, którego obecność wykazano w komórkach nabłonka jąder, skóry, przewodu pokarmowego i dróg oddechowych, a także w monocytach, neutrofilach, limfocytach T, komórkach NK, i komórkach B. Wykazano, że posiada on własności przeciwdrobnoustrojowe, przeciwwirusowe i przeciwnowotworowe, a także pełni funkcje immunomodulacyjne, czyli przeciwzapalne, prozapalne, chemotaktyczne i cytotoksyczne, a także sprzyja migracji komórek.

HNP1 jest ludzkim peptydem z rodziny defensyn składającym się z 30 aminokwasów i przyjmującym strukturę trójniciowego arkusza β. Jest uwalniany z komórek pod wpływem bodźców lub, w niektórych przypadkach, z neutrofili i monocytów, wykazując działanie przeciwdrobnoustrojowe, neutralizując toksyny bakteryjne i modulując adaptacyjną odpowiedź immunologiczną. W 2000 roku, Nagaoka wykazał ewidentnie bezpośredni efekt synergistyczny peptydów LL-37/HNP1 przeciwko Escherichia coli i Staphylococcus aureus.

Wiadomym jest, że LL-37 w wysokich stężeniach wykazuje właściwości cytotoksyczne niszcząc błony komórkowe, nie jest znane natomiast w jaki sposób komórki gospodarza chronią się przed atakiem. W celu zbadania kooperatywności peptydów LL-37/HNP1 na komórki gospodarza, przeanalizowano odpowiedź komórek ssaków (MDCK- Madin-Darby Canine Kidney i HUVEC- Human Umbilical Vein Endothelial Cells) i modeli błon komórkowych na działanie LL-37, HNP1 oraz ich mieszaniny.

Analizę aktywności peptydów na błonach ssaków przeprowadzono z użyciem metod FRAP (Fuorescence Recovery After Photobleaching), QCM-D (Quartz Crystal Microbalance with Dissipation), EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) oraz z wykorzystaniem pomiaru przewodnictwa elektrycznego na poziomie pojedynczego kanału, a także kilku metod spektroskopowych i mikroskopii elektronowej. Badania, przeprowadzone na syntetycznych błonach komórkowych, dały podobne wyniki do przeżyciowego testu toksyczności na poziomie komórkowym przeprowadzonego za pomocą barwnika wrażliwego na wapń.

W przeprowadzonych badaniach zaobserwowano antagonistyczne oddziaływanie peptydów w stosunku do komórek MDCK i HUVEC, w których cytotoksyczność LL-37 była tłumiona przez HNP1. Z obecnych i poprzednich analiz wynika więc, że współdziałanie pary peptydów LL-37/HNP1 może ulegać zmianie z destrukcyjnej na ochronną w zależności od tego, jaki typ komórek jest celem ich ataku.

Mikroskopia elektronowa Cryo, dostępna w NCPS Solaris, pozwoliła zwizualizować, że LL-37 niszczy pęcherzyki reprezentujące błony plazmatyczne Eukaryota, zbudowane z lipidów POPC (1-palmitoyl-2-oleoyl-glycero-3-phosphocholine), rozkładając je na małe fragmenty. HNP1 powoduje protruzję błony komórkowej, natomiast mieszanina obu peptydów hamuje powyższe efekty.

Peptyd HNP1 samodzielnie nie indukuje zauważalnej cytotoksyczności w warunkach eksperymentu in vitro, natomiast hamuje destrukcyjny wpływ LL-37, jeśli stosowany jest w mieszaninie LL-37/HNP1. Prezentowane wyniki opisują potencjalne możliwości „podwójnej współpracy” peptydów LL-37 i HNP1, która może być wykorzystana przez układ immunologiczny i pomocna w przyszłości w rozwoju efektywnych i bezpiecznych czynników przeciwdrobnoustrojowych.

Badania zostały opublikowane w Biophysical Journal (IF =3.665), a z pełną wersją  pracy można zapoznać się po kliknięciu w link.

Zwraca uwagę nowe zjawisko pojawienia się nanodysków pod wpływem peptydów antybakteryjnych, co zostało uwidocznione na przyznanej tej pracy okładce czasopisma. Z uwagi na znaczący wpływ opublikowanego odkrycia na pole badań peptydów antybakteryjnych, artykuł został opatrzony dedykowanym ilustrowanym komentarzem edytorów (Tyler S. Johnson and Charles M. Deber, Protection or Destruction: The LL-37/HNP1 Cooperativity Switch) w tym samym wydaniu czasopisma: DOI:https://doi.org/10.1016/j.bpj.2020.10.046.

Realizacja  badań na kriomikrioskopie była możliwa dzięki współpracy dr Sebastiana Glatta, dr Michała Rawskiego i dr inż. Pauliny Indyki.

Pierwszy nabór wniosków badawczych na kriomikroskop został otwarty we wrześniu 2019 roku.

Oprac. Sylwia Orzechowska