FRIMEDBIO-Fri prosj.st. med.,helse,biol

Forekomsten av antibiotikaresistente bakterier øker over hele verden. Dette forringer nytten av antibiotika, en gruppe stoffer som har reddet millioner av liv og muliggjort utviklingen av moderne medisin. Baksiden av medaljen er at deres utbredte bruk bidrar til en økning i forekomsten av antibiotikaresistente bakteriestammer. For å stanse den nåværende krisen er det nødvendig å utvikle nye antibakterielle forbindelser. Målet med prosjektet er å karakterisere to smalspektrede antimikrobielle forbindelser, streptovoracin I og II, produsert av en bakterie isolert fra Oslofjorden. Begge er svært aktive mot Streptococcus pneumoniae, en humanpatogen bakterie som forårsaker ca. 2 millioner dødsfall årlig. Kjemikeren Jens M.J. Nolsøe, som var ansatt på prosjektet fra 1. juli 2019 til 30. juni 2021, arbeidet med å oppklare den kjemiske strukturen til streptovoracin I og II. På tross av store forsinkelser på grunn av Covid-19 pandemien har han og hans medarbeidere nå lyktes med å oppklare strukturen til streptovoracin I. Det viste seg at streptovoracin I er identisk med viscosin, et syklisk lipopeptid som har vært karakterisert og publisert tidligere. I prosjektsøknaden skrev vi at streptovoracin I og II sannsynligvis er nye antimikrobielle stoffer. Denne antagelsen var basert på at deres masse var unik og forskjellig fra alle andre sykliske lipopeptider registrert i NORINE databasen. Vi bestemte massen til streptovoracin I til å være 1148.7 dalton, mens massen til viscosin er oppgitt til å være 1126.4 dalton. Etter at vi fant at strukturen til streptovoracin I er identisk med strukturen til viscosin forstod vi at forskellen på ca. 22 dalton tilsvarer et natriumion. Resultatene våre viser altså at streptovoracin/viscosin har sterk affinitet for natriumioner og at bindingen av ett natriumion per streptovoracin-/viscosinmolekyl sannsynligvis er nødvendig for at stoffet skal ha antimikrobiell aktivitet. Siden massen til viscosin i NORINE databasen var oppgitt uten natriumionliganden trodde vi at vi hadde oppdaget et nytt antibiotikum. Streptovorasin II viste seg å være en variant av streptovorasin I som har to ekstra karbonatomer og en dobbeltbinding i fettsyren som er bundet til peptidringen. Siden strukturen til vicosin har blitt publisert tidligere vil det være vanskelig å få publisert strukturoppklaringsarbeidet som ble utført av kjemikerne tilknyttet prosjektet. Streptovoracin, heretter omtalt som viscosin, er en svært effektiv antimikrobielle forbindelse med en ukjent virkningsmekanisme som ikke har vært studert tidligere. Våre resultater tyder på at stoffet dreper S. pneumoniae ved å interferere med celleveggsyntesen og bakteriens cytoplasmamembran. Den høye spesifisiteten til dette antibiotikumet tyder på at det interagerer med et unikt «docking»-molekyl i bakteriens membran, og at denne interaksjonen er en forutsetning for dets antimikrobielle effekt. Det er svært viktig å identifisere dette «docking»-molekylet, og å kartlegge virkningsmekanismen til viscosin. Denne kunnskapen kan på sikt brukes til å optimalisere effekten og redusere toksisiteten til antibiotikumet ved at det syntetiseres nye varianter som har bedre egenskaper. Siden viscosin virker på membraner er det tenkelig at det også kan syntetiseres varianter som er spesialdesignet for å ødelegge bestemte kappevirus (f. eks. Coronavirus) og/eller kreftceller. Daniel Straume arbeider derfor med å kartlegge virkemåten til viscosin ved blant annet å selektere for mutanter med høyere resistens. Dette gjøres ved å stresse pneumokokker med subletale doser av viscosin over lang tid og isolere mutanter som er mer resistente mot stoffet. Så langt har vi ikke klart å identifisere mutanter med høy resistens mot viscosin, men vi har isolert flere mutanter som er mer resistente enn villtypen. Mutasjonene som har gitt økt resistens har blitt kartlagt ved hjelp av genomsekvensering, og viste mutasjoner i gener involvert i transkripsjon, proteinsyntese og fosfolipidsyntese. Resultatene av en etablert pipeline for rensing av viscosin og «mode of action» studiene vil bli publisert i første halvdel av 2024. Prosjektet har også oppdaget et annet antimikrobielt stoff som dreper S. pneumoniae og andre streptokokkarter. Dette stoffet produseres av en nyoppdaget bakterie i slekten Lysinibacillus (vi har sekvensert og annotert det komplette genomet, genebank accession nr. CP102798) som vi har isolert fra oslofjorden. Bakterien kalles foreløpig Lysinibacillus sp. OF-1 (OF = oslofjorden), og det antimikrobielle stoffet den produserer er enten et nytt antimikrobielt peptid eller glykopeptid. Vi har kalt stoffet lysinicin OF, og stoffet benytter seg av en et oligopeptid opptakssystem hos S. pneumoniae for å drepe bakterien. Resultater om oppdagelsen og karakterisering av lysinicin OF er publisert i det internasjonalt vitenskapelige tidsskriftet Microbiology.

- Forsterket tverrfaglig samarbeid mellom forskningsmiljø innen mikrobiologi og kjemi ved NMBU. - Oppdagelsen av nytt antimikrobielt stoff (lysinicin OF) har initiert et forskningssamarbeid mellom forskere ved NMBU og Universitetet i Bern (Prof. Lucy Hathaway). - Både lysinicin OF (nytt antimikrobielt stoff oppdaget i prosjektet) og fremtidige derivater av viscosin har potensial til å fungere som antibiotika mot S. pneumoniae og andre streptokokker. Hvis noen av stoffene passerer kliniske tester i fremtiden, vil det sannsynligvis styrke muligheten helsevesenet har for å behandle og evt. forhindre streptokokkinfeksjoner.

The continuous emergence and worldwide spread of antibiotic resistant bacteria endangers the efficacy of antibiotics. Adoption of antibiotic stewardship programs, better diagnosis and improved therapeutic regimens are important measures that contribute to control antibiotic resistance, but to stem the current crisis new antibacterial compounds are required. The discovery and development of new agents are therefore of the utmost importance. The emergence of drug-resistance in the important human pathogen S. pneumoniae represents a considerable problem in many European countries as well as in other parts of the world. The rise in resistance has been driven by widespread use and misuse of broad-spectrum antibiotics such as beta-lactams and macrolides in the treatment of pneumococcal infections. A growing body of research has begun to elucidate the harmful effects of broad-spectrum antibiotic therapy on the beneficial host microbiota. To combat these threats, increasing efforts are being directed toward the development of precision antimicrobial therapeutics that target key virulence determinants of specific pathogens while leaving the remainder of the host microbiota undisturbed. Moreover, as narrow-spectrum antibiotics impose a selection pressure only on a minor part of the microbiota, the risk of resistance development is reduced. The goal of the proposed project is to characterize an antimicrobial agent discovered in a screening of marine bacteria from the Oslo fjord. The purpose of our screening was to identify new drugs that inhibit the growth of S. pneumoniae. Preliminary data show that the identified compound is highly active against pneumococci, and that it has a narrow inhibition spectrum. In sum, the data indicate that the new compound has very interesting properties that should be further explored in order to determine whether the new compound has a therapeutic potential in the treatment of pneumococcal infections.