Une recherche informatique des cardiotoxines de cobra a soumis 14 peptides inspirés du venin à des tests structurels, antibactériens et de toxicité, fournissant un test rigoureux de jusqu’où peut aller la découverte de peptides guidée par l’IA.
Étude : Exploitation des cardiotoxines du venin de serpent pour la découverte de peptides antimicrobiens. Crédit d’image : Kurit Afshen /Shutterstock
Une étude récente dans la revue Découverte de médicaments NPJ identifié et évalué des candidats peptides antimicrobiens dérivés de cardiotoxines de cobra en utilisant l’exploration informatique, la priorisation de l’apprentissage automatique et le criblage expérimental pour tester une voie inspirée par les toxines vers la découverte de médicaments antimicrobiens.
Sommaire
Avancées et défis dans la découverte de peptides antimicrobiens à base de venin
Les venins de serpent représentent un réservoir diversifié de molécules bioactives très prometteuses en tant qu’agents anti-infectieux. Les peptides et protéines dérivés du venin, développés pour perturber les processus cellulaires et immunologiques chez les proies et les prédateurs, possèdent également des propriétés antimicrobiennes inhérentes, ce qui en fait des modèles prometteurs pour le développement de médicaments. Pourtant, les pipelines de découverte conventionnels, qui reposent sur l’isolement biochimique et le criblage fonctionnel, sont entravés par la complexité des mélanges de venins et les défis associés à la production de biomolécules plus volumineuses.
Les progrès récents dans les technologies omiques ont élargi les bases de données de séquences de protéines de venin, exposant ainsi une diversité moléculaire importante mais sous-exploitée. Ces ensembles de données permettent la conception rationnelle de peptides inspirés des toxines en récapitulant des motifs structurels ou physicochimiques essentiels à l’activité biologique. Les fragments peptidiques bioactifs peuvent être cryptés dans des séquences de toxines plus grandes et ne manifester leur activité qu’au moment de leur libération. Même avec ce potentiel, il est systématique in silico l’extraction et la validation des peptides antimicrobiens à partir de séquences de venin restent limitées.
Cardiotoxines (CTX) depuis Naja Les espèces, qui appartiennent à la famille des toxines à trois doigts, sont particulièrement adaptées à l’extraction informatique des peptides en raison de leur taille compacte, de leur intégrité structurelle et de leurs propriétés de liaison aux membranes. Protéines basiques de type cardiotoxine (CLBP), bien que structurellement liés, ont été largement négligés dans la recherche sur les antimicrobiens.
Intégration IA avec les vénomiques, il est désormais possible de prédire rapidement le potentiel antimicrobien et de prioriser les motifs bioactifs putatifs dans les données de séquence. Pourtant, les approches globales combinant l’exploration de séquences de toxines avec la prédiction des peptides basée sur l’IA n’ont pas été largement mises en œuvre. Une lacune critique demeure dans in silico identification et caractérisation de peptides antimicrobiens issus des toxines du venin de serpent, notamment les CTX et les CLBP.
Analyse de séquence, conception et évaluation fonctionnelle des peptides dérivés du CTX
Pour identifier de nouveaux peptides antimicrobiens, 14 candidats ont été sélectionnés ou conçus à l’aide de l’exploration de séquences et de la priorisation informatique de Naja (cobra) cardiotoxines/cytotoxines. Les peptides candidats ont été évalués à l’aide d’outils de prédiction de peptides antimicrobiens et d’hémolyse basés sur l’apprentissage automatique, le CTX-p7 chimiquement modifié étant exclu de certains in silico analyses. Les peptides ont été synthétisés en utilisant du fluorénylméthyloxycarbonyle en phase solide (Fmoc) chimique, dont la pureté est évaluée par chromatographie liquide à haute performance (HPLC), et leurs masses moléculaires ont été confirmées par spectrométrie de masse (MS).
Les caractéristiques structurelles ont été évaluées à l’aide de la prédiction de la structure des protéines AlphaFold2, des projections de roues hélicoïdales pour évaluer l’amphipathicité et du dichroïsme circulaire (CD) spectroscopie dans des conditions imitant la membrane. L’activité antibactérienne a été quantifiée par des tests de microdilution en bouillon contre les bactéries Gram-négatives et Gram-positives. Le dépistage antimicrobien par microdilution en bouillon a été répété indépendamment trois fois, chaque test étant effectué en triple. La rupture membranaire a été étudiée par microscopie à force atomique (AFM) et les méthodes de coloration par fluorescence.
Les tests mécanistiques comprenaient l’évaluation de la perméabilité de la membrane externe bactérienne à l’aide de la N-phényl-1-naphtylamine (NPN) test d’absorption et dépolarisation de la membrane interne bactérienne à l’aide de l’iodure de 3,3′-dipropylthiadicarbocyanine (DiSC3(5)) essai.
Peptides antimicrobiens inspirés du venin
Explorer le potentiel des CTX de venin de serpent comme modèles pour AMP conception, séquences CTX de Naja les espèces ont été extraites de bases de données publiques sur les protéines et analysées pour déterminer la similarité des séquences. La comparaison des séquences a révélé une conservation élevée, indiquant que les motifs structurels et fonctionnels sont préservés.
Deux stratégies ont guidé la sélection de fragments peptidiques candidats dérivés de CTX, priorisés à l’aide d’outils de prédiction AMP basés sur l’apprentissage automatique. La première stratégie consistait à extraire des régions conservées de huit CTX bien caractérisés et à analyser ces fragments à l’aide de l’activité peptidique antimicrobienne (AMPA), donnant sept peptides natifs ; deux dérivés supplémentaires ont ensuite été conçus à partir de CTX-p5. La deuxième approche a généré une séquence consensus de 92 Naja CTX et l’a utilisé pour concevoir cinq peptides supplémentaires basés sur des résidus d’acides aminés conservés.
L’algorithme AMPA a identifié sept régions antimicrobiennes putatives. Une évaluation plus approfondie avec des outils de prédiction antimicrobienne et hémolytique a soutenu leur priorisation informatique, avec neuf peptides au total issus de cette stratégie : sept fragments natifs dérivés de CTX et deux dérivés de CTX-p5, CTX-p6 (cationicité accrue) et CTX-p7 (queue de palmitoyle pour l’interaction membranaire). La stratégie basée sur le consensus a généré cinq peptides supplémentaires (CTX-p10 – CTX-p14). La plupart des peptides ont reçu des scores antimicrobiens élevés d’au moins deux modèles, bien que les résultats varient d’un algorithme à l’autre.
In silico l’analyse physicochimique a identifié CTX-p6 et CTX-p14 comme les plus prometteurs, suivis de CTX-p5 et CTX-p9, mais des tests expérimentaux ont ensuite identifié CTX-p5 comme le peptide le plus actif. CTX-p11 avait une forte propension à l’agrégation. Quatorze peptides ont été synthétisés, la HPLC confirmant une pureté supérieure à 95 % et la spectrométrie de masse vérifiant les masses moléculaires attendues.
L’analyse structurelle a révélé une diversité significative parmi les peptides inspirés du CTX. La modélisation AlphaFold a prédit une propension hélicoïdale partielle pour plusieurs, mais sa fiabilité pour des séquences courtes et flexibles est limitée. AlphaFold prédit des conformations partiellement pliées ou en forme d’épingle à cheveux β pour certains peptides, tandis que les projections de roues hélicoïdales illustraient séparément les distributions théoriques de résidus amphipathiques en supposant une hélice α idéalisée. Ces projections théoriques ne correspondaient pas toujours aux expériences.
Les spectres CD ont montré que la plupart des peptides étaient désordonnés en solution aqueuse, mais certains, notamment CTX-p1, CTX-p8, CTX-p11, CTX-p13 et CTX-p14, présentaient des signatures en hélice α dans des environnements imitant la membrane. La déconvolution a confirmé que seules certaines ont adopté des structures hélicoïdales dans ces conditions. Seul un sous-ensemble présentait un caractère hélicoïdal inductible et une rupture de la membrane peut se produire sans hélices α stables. Le FDS et TFE les conditions utilisées pour induire la structure ne reproduisent pas entièrement les membranes lipidiques biologiques.
Les 14 peptides inspirés du CTX ont été testés contre des bactéries Gram-négatives et Gram-positives. Les peptides ayant une activité mesurable avaient des concentrations minimales inhibitrices (PRI) de 125 à 500 μM, alors que plusieurs candidats, principalement ceux issus de la stratégie consensuelle, n’ont montré aucune activité mesurable jusqu’à 500 μM. CTX-p5 a systématiquement présenté l’activité antibactérienne la plus forte et a été sélectionné pour une étude plus approfondie. La microscopie et les analyses biochimiques ont confirmé un mode d’action perturbant la membrane du CTX-p5, avec une perméabilité et une dépolarisation accrues après le traitement. Alors que la plupart des peptides étaient faibles, le CTX-p5 a démontré une activité antibactérienne et membranolytique modérée.
L’activité hémolytique des peptides inspirés du CTX a été testée sur les globules rouges humains (62,5 à 1 000 μM). La plupart des peptides provoquaient peu ou pas d’hémolyse à faibles concentrations, avec une activité plus élevée à des doses accrues. CTX-p7 a montré l’activité hémolytique la plus élevée, tandis que CTX-p5 en a provoqué beaucoup moins. Dans l’ensemble, les peptides dérivés du CTX présentaient généralement une toxicité érythrocytaire modérée à faible.
Conclusions
L’étude actuelle fournit la preuve du principe selon lequel l’intégration de l’exploration de séquences de toxines, de la prédiction informatique et de la validation expérimentale peut identifier des candidats peptides antimicrobiens membranaires actifs à partir des cardiotoxines du venin de serpent.
Bien que l’apprentissage automatique ait permis une priorisation rapide des candidats, seule une petite partie a montré une activité antibactérienne mesurable, démontrant les limites des méthodes de prédiction actuelles et l’intérêt de signaler des candidats faibles ou inactifs.
Les concentrations antibactériennes requises étaient relativement élevées par rapport à celles des peptides antimicrobiens cliniquement avancés, ce qui limite actuellement la valeur translationnelle de ces candidats en tant qu’agents thérapeutiques directs. Le travail était un premier stade de calcul et in vitro étude, et CTX-p5 nécessitera des affinements supplémentaires avant de pouvoir être considéré comme une piste thérapeutique.
L’extension de cette approche à d’autres échafaudages et cibles moléculaires dérivés du venin pourrait élargir le développement de thérapies peptidiques bioactives. L’amélioration de l’exploitation minière, de la prédiction de structure et de la validation expérimentale basée sur l’IA pourrait aider à affiner les propriétés des peptides et à soutenir la découverte d’antimicrobiens puissants et sélectifs contre les agents pathogènes résistants aux antibiotiques.
