eXploring the BIOactive PEPtide Space of arctic marine invertebrates

Målsetningen med prosjektet har vært å karakterisere og avdekke nye bioaktive peptider fra marine dyr/evertebrater fra Arktiske og sub-Arktiske områder og få kunnskap om struktur (gener) og virkemåter. Videre ønsket vi å utnytte denne kunnskapen i utvikling av lead forbindelser som kan anvendes i en kommersiell sammenheng videre. Hovedfokus i prosjekt har vært rettet mot følgende leveranser i) samle marint material, ii) ekstrahere peptider og nukleinsyrer (DNA/RNA), iii) screene for antimikrobiell aktivitet, iv) utføre utvidet testing på struktur-aktivitets relasjon (SAR studier) og virkemekanismer (MOA), v) dybdesekvensering og bioinformatikk, vi) utvikle nye mekanisme tester vii) evaluere det kommersielle potensialet. Utbredelsen av antibiotika resistens hos en rekke patogene bakterietyper øker hurtig og har aktualisert utvikling av nye typer antibiotiske stoffer. Mange human patogene bakterier er resistent mot ethvert kommersielt antibiotika og derfor trenger vi nye forbindelser som benytter ny mekanismer. Det marine miljø er særlig interessant av flere grunner som en kilde for nye antibiotika. I løpet av de siste 34 årene har naturen vært en kilde til 69% av ny godkjente medisiner. Kun 1% av disse har vært fra det marine miljø. Vi har knapt startet å undersøke og utnytte potensialet i de marine ressursene. I millioner av år har dyr utviklet systemer til å leve tett på de bakteriene som finnes i det marine miljø. Repertoaret av bioaktive stoffer hos marine organismer er variert og gir optimisme. I mange år har UiT identifisert og utforsket bioaktive substanser for å utvikle nye antibakterielle medisiner fra ulike marine evertebrater. I tillegg til å se på pigghuder (Echinoderms) og krepsdyr (Crustaceans), er også nesledyr (Cnidaria) og mollusker (Mollusca) analysert. Vi har samlet inn materiale og laget ekstrakter og isolert forbindelser som er bioaktive/antimikrobielle eller som har en toksisk aktivitet på nervereseptorer /ionekanaler. Nedenfor vil noen resultater trekkes fram. Flere potente antibakterielle peptider virksomme i µM mengder, ble isolert fra ekstrakter av hemocytter fra den røde kråkebollen, Echinus esculentus. Disse peptidene lignet de allerede kjente peptidene strongylocins og centrocins fra den grønne kråkebollen (Strongylocentrotus droebachiensis). Peptidene var endret posttranslasjonelt og inneholdt brominerte trypsiner. Centrocin bestod av to peptider forbundet med en disulfidbro. Den delen som var nødvendig for aktiviteten (farmakofor) ble identifisert i den tunge kjeden av det antibakterielle peptidet. Struktur-aktivitets studier (SAR) og peptidomiske studier viste at den tunge delen av EeCentrocin 1 kunne forkortes ned fra 30 aminosyrer i den native peptidet til mindre av halvparten av det opprinnelige antallet og likevel være potent. Denne informasjonen kan være basis for å designe nye peptidomiske molekyler som ikke nødvendigvis er ekte peptider. De må inneholde farmakoforen av de opprinnelige naturlige eller forkortende peptidene men kan ikke brytes ned av enzymer (proteaser). Strukturoppklaring er utfordrende når kun en liten mengde peptid er renset og mange cysteiner er påvist. Ved hjelp av høyoppløselig tandem massespektrometri ble strukturen oppklart til peptider fra kongekrabbe som inneholdt 8 cysteiner. Design og syntese av nye forbindelser basert på kunnskap om isolerte marine bioaktive natur produkter er rapportert i dette prosjektet og pågår fremdeles. Bioaktive peptider og gener er også isolert og karakterisert fra sjøanemoner, Urticina eques og Metridium senile. Ett peptid (Ueg 12-1) viste to aktiviteter. I tillegg til at det var antibakterielt, vister det også påvirkning på TRPA1 ionekanalen som er en kjent smerte reseptor. Et annet peptid (Ms 9a-1) senket smerten og kan være nyttig i utvikling av antiinflammasjons forbindelser. Gener som koder for antimikrobielle substanser ble bioinformatisk analysert i alle evertebrater som ble testet. Derimot var vi ikke i stand til å identifisere peptider ved hjelp av dybdesekvensering (transkriptomiske studier). I videre studier må dyrene være stimulert og ulike prøver foretatt samtidig. Konvensjonell antimikrobiell screening basert på testing med inhibering tar flere dager og vi fokuserte på å lage en rekke ny biosensoriske inhiberende tester som er raske (sekunder, minutter og timer) og som kan benyttes for raskt å identifisere virkemekanismer av antibakterielle peptider. Anvendelsen av disse testene i innledende screening av ekstrakter, viste lovende resultater. I dette prosjektet har vi oppnådd hovedmålet med å fremskaffe mer basal kunnskap om bioaktive peptider fra marine organismer. Vi har fremskaffet ny kunnskap med nye tester og nye strukturanalyser. Vi har vist at vi kan bruke data fra naturstoffer for å designe nye molekyler som har potent antibakteriell aktivitet. Vi har en patentsøknad, og vi kan snart tilby ny mekanismetester.

The decreasing number of approved drugs produced by the pharmaceutical industry demands alternative approaches to increase pharmaceutical R&D productivity. This situation has contributed to a revival of interest in peptides as potential drug candidates. N ew synthetic strategies for limiting metabolism and alternative routes of administration have emerged in recent years and resulted in an increasing number of peptide-based drugs that are now being marketed. The emergence and spread of antimicrobial resist ance in human pathogenic bacteria has fuelled the need for new antimicrobial compounds with new mechanisms of action. There is also a critical need for novel therapeutics for pain management. Marine invertebrates have proven to be a vast resource for dis covering novel bioactive peptides, having either antimicrobial or pain-killing effects. These facts introduce bioactive peptides from marine invertebrates as a new choice for obtaining promising drug lead structures. The aim of the present project is to c haracterise antimicrobial and pain inhibitory peptides from marine invertebrates and to identify potential lead structures of pharmaceutical interest. The research will build on results from ongoing project activities at the University of Tromsø (UiT). A successful drug discovery relies on the coordinated multi-disciplinary effort of highly qualified researchers with special skills in different disciplines. Four different research groups at the University of Tromsø will join forces together with research partners at (NILU, in Stavanger, Germany, Finland and Russia. The national marine biobank (Marbank) and the screening platform (Marbio) take part in the project and optimization of extraction will be done to collect and characterise bioactive peptides of the animals. Our laboratories and collaborating local, national and international partners have the relevant technological and scientific expertise, as well as the motivation, to fulfil all the project aims.