Lustrzane życie: nowe wyzwanie dla medycyny i bezpieczeństwa biologicznego

Czy lustrzane życie to nowe wyzwanie medyczne?

Życie lustrzane, czyli układy biologiczne zbudowane z enancjomerycznych odpowiedników naturalnych składników życia, od czasów Ludwika Pasteura fascynowało zarówno naukowców, jak i pisarzy. W połowie XIX wieku Pasteur zapoczątkował debatę dotyczącą możliwości istnienia lustrzanych form życia, w tym enancjomerycznych wersji podstawowych składników biologicznych – lewoskrętnych węglowodanów i nukleotydów oraz prawoskrętnych białek i aminokwasów. W tym samym okresie, w literackim dziele “Po drugiej stronie lustra”, Alicja zastanawiała się, czy mleko widoczne w zwierciadle nadaje się do picia. Obecnie termin “mirror life” odnosi się do systemów biologicznych zbudowanych częściowo lub całkowicie z enancjomerycznych odpowiedników naturalnych składników życia obecnych w biosferze. Ostatnie postępy technologiczne, takie jak rozwój polimeraz kwasów nukleinowych o lustrzanej strukturze i teoretyczne modele enancjomerycznych rybosomów, stanowią konkretne kroki w kierunku stworzenia “lustrzanego życia”.

Organizmy mirror life pozostają wciąż teoretyczne, jednak zgromadzona wiedza powinna skłonić społeczność naukową do opracowania skutecznych strategii kontroli przed podejmowaniem dalszych kroków. Rozwój skutecznych środków zaradczych jest tym ważniejszy, że w niedalekiej przyszłości możliwe jest pokonanie ograniczeń technologicznych, które obecnie hamują tworzenie lustrzanych mikroorganizmów. Niedawno w artykule opublikowanym w czasopiśmie Science, Adamala i współpracownicy ostrzegli, że lustrzane bakterie mogą stanowić bezprecedensowe zagrożenie dla życia z kilku powodów, takich jak prawdopodobne omijanie systemów immunologicznych oraz ryzyko znacznie zwiększonej sprawności i konkurencyjności. Autorzy zachęcili również do poszerzenia dyskusji na ten temat, aby odkryć wszystkie możliwe związane z tym problemy. Chociaż ryzyko, jakie lustrzane bakterie mogą stwarzać dla środowiska i organizmów żywych, jest wciąż przedmiotem debaty (patrz list elektroniczny Science “W odpowiedzi na ‘Konfrontacja z ryzykiem lustrzanego życia’” autorstwa prof. Perrina w odpowiedzi na artykuł Adamali i współpracowników), panuje zgoda co do konieczności dokładnej oceny zagrożeń przed umożliwieniem ich tworzenia. Ograniczenia techniczne, takie jak te związane z produkcją białek D i innych lustrzanych (makro)cząsteczek, utrudniają ocenę ryzyka, jednak modelowanie komputerowe może wiarygodnie przezwyciężyć te ograniczenia.

Jak modelowanie obliczeniowe wspiera badania nad zagrożeniami?

W związku z tym stworzyliśmy otwarte forum dla kumulatywnych badań i dyskusji na temat zagrożeń związanych z lustrzanymi mikroorganizmami, gdzie stwierdziliśmy znaczenie modelowania obliczeniowego jako bezpiecznego środka do wstępnego testowania i projektowania strategii radzenia sobie z tym zagrożeniem (patrz nasz list elektroniczny Science “Antybiotyki po drugiej stronie lustra: podejścia obliczeniowe do zwalczania zagrożeń ze strony lustrzanego życia” jako odpowiedź na artykuł Adamali i współpracowników). W niniejszym artykule rozważono hipotetyczne lustrzane odbicie Staphylococcus aureus, powszechnie występującej bakterii środowiskowej odpowiedzialnej za poważne infekcje pokarmowe u ludzi, co może budzić istotne obawy dotyczące bezpieczeństwa środowiskowego i higieny. Jako dowód koncepcji zastosowaliśmy wcześniej zwalidowany przepływ pracy obliczeniowej (np. ref. [5, 7, 8]) aby sprawdzić, czy amoksycylina mogłaby skutecznie zwalczać tę bakterię w scenariuszu lustrzanego życia. Amoksycylina jest skuteczna przeciwko szczepom S. aureus wrażliwym na β-laktamy, wiążąc się z domeną transpeptydazy (TP) białka wiążącego penicylinę 3 (PBP3). Zbadaliśmy, czy amoksycylina wiązałaby się podobnie z lustrzanym obrazem tego białka docelowego S. aureus.

Zastosowany przepływ pracy obliczeniowej integrował dokowanie molekularne z symulacjami MD, co wcześniej skutecznie przewidywało stabilność kompleksu białko-ligand w różnych systemach (np. ref. [7, 8]). W tym badaniu przeanalizowaliśmy, czy amoksycylina, która jest skuteczna przeciwko szczepom S. aureus niewrażliwym na metycylinę, mogłaby być również skuteczna przeciwko lustrzanemu obrazowi PBP3 S. aureus, znanemu celowi antybiotyków β-laktamowych. Przeprowadzono odpowiednią walidację, aby zweryfikować specyficzną dla danego przypadku wiarygodność zastosowanej procedury, badając ogólną stabilność geometryczną modeli apo, a następnie obliczając interakcję między amoksycyliną a jej celem. Zarówno modele apo wykazały stabilność geometryczną (wyrażoną jako trendy RMSD i promień żyracji) w rozważanym przedziale czasowym, ostatecznie potwierdzając wiarygodność modeli. Oba systemy były geometrycznie zrównoważone od ≈150 ns, chociaż w jednej z dwóch replik D-PBP3 wystąpił niewielki wzrost (≈0,1 nm) ≈400 ns. Dokładna analiza trajektorii wykazała, że było to spowodowane lokalną reorganizacją bocznego regionu białka, który jest zaangażowany w interakcję białko-białko i nie ma znaczenia dla wiązania amoksycyliny. Jednak jako dalszy poziom analizy, obliczono promień żyracji, który odzwierciedla ogólną równowagę konformacyjną systemu, dla wszystkich replik. Ogólnie rzecz biorąc, oba systemy zachowywały się podobnie, wykazując podobne trendy stanu ustalonego – różnice między replikami były mniejsze niż 0,1 nm, podkreślając stabilność geometryczną obu.

Czy antybiotyki lustrzane zmienią zasady gry?

W odniesieniu do kompleksu amoksycylina-PBP3, mechanizm działania amoksycyliny obejmuje kowalencyjne wiązanie Ser392 (numeracja zgodnie z przypisaniem UniProt) poprzez reaktywność pierścienia β-laktamowego. Zgodnie z wcześniejszymi badaniami, niniejsza praca badała trwałość pierścienia β-laktamowego amoksycyliny w pobliżu łańcucha bocznego Ser392, aby przewidzieć jego reaktywność w tworzeniu wiązania kowalencyjnego. Zadokowana poza uzyskała 42 jednostki PLPScore (pozytywne wyniki wskazują na fizykochemiczne dopasowanie między kieszenią białkową a zadokowanym ligandem, zgodnie z deklaracją producenta; https://www.ccdc.cam.ac.uk) z atomem węgla karbonylowego ułożonym blisko tlenu łańcucha bocznego Ser392. Ponadto odległość międzyatomowa między tlenem łańcucha bocznego Ser392 a węglem karbonylowym amoksycyliny utrzymywała się stabilnie podczas całej symulacji. Ostatecznie potwierdziło to wiarygodność modelu, potwierdzając jego zdolność do modelowania interakcji amoksycyliny i późniejszej aktywności.

Jeśli chodzi o interakcję amoksycyliny z D-PBP3, zadokowany wynik był porównywalny z tym zarejestrowanym w obrębie natywnego celu (odpowiednio 44 i 42 jednostki), podobnie jak odległości międzyatomowe (odpowiednio 3,9 i 3,8 Å). Jednak symulacje MD ujawniły, że interakcja amoksycyliny nie była stabilna w obrębie D-PBP3, wykazując zmienny trend RMSD i szerszą odległość międzyatomową (średnio 11,81 Å), co racjonalnie nie jest zgodne z możliwością utworzenia wiązania kowalencyjnego. Co więcej, w jednej z dwóch niezależnych replik MD amoksycylina całkowicie odłączyła się od D-PBP3. Dlatego, chociaż amoksycylina mogłaby teoretycznie oddziaływać z D-PBP3, obliczono, że nie wiąże się ani nie hamuje jej skutecznie i prawdopodobnie odrywa się od miejsca wiązania. Co istotne, oprócz PBP3, w S. aureus istnieją inne cele amoksycyliny (np. PBP2). Nie można wykluczyć podobnego zachowania dla innych enancjomerycznych celów antybiotyków β-laktamowych, w tym amoksycyliny. Rodzi to pytanie, czy enancjomeryczny S. aureus może być z natury odporny na gamę β-laktamów dostępnych obecnie.

Czy enancjomeryczne strategie mogą pokonać oporność?

W oparciu o hipotezę, że lustrzany obraz amoksycyliny mógłby być skuteczny przeciwko lustrzanym celom, zbadano również kompleks enancjomeryczna-amoksycylina – D-PBP3. Zgodnie z oczekiwaniami, zachowywał się jak natywny odpowiednik, zgodnie z hipotezą, że enancjomeryczne antybiotyki mogą być skuteczne w scenariuszu lustrzanego życia. Co istotne, oczekuje się, że antybiotyki lustrzane będą specyficzne dla enancjomeru, a zatem nieskuteczne wobec systemów L. Zgodnie z tą interpretacją, która będzie jednak wymagać dedykowanych badań, rozwój enancjomerycznych biocydów może zapewnić poprawioną selektywność przeciwko bakteriom lustrzanym. Jeśli zostanie to potwierdzone, ta cecha przyniosłaby korzyści, takie jak zmniejszone ryzyko celowania w gatunki poza celem i związany z tym wzrost oporności na antybiotyki. Jednocześnie pozwoliłoby to na ponowne wykorzystanie biocydów, które zostały wycofane ze względu na ich toksyczny profil, biorąc pod uwagę, że niektóre enancjomery mogą być znacznie mniej toksyczne dla żywych organizmów (np. ref. [18, 19]). Należy jednak rozważyć również przeciwny scenariusz, podkreślając potrzebę starannej oceny indywidualnych przypadków bezpieczeństwa enancjomerycznych związków przeciwbakteryjnych, aby uniknąć uwolnienia biocydów o szerokim spektrum toksyczności do biosfery.

Według naszej najlepszej wiedzy, jest to pierwszy dowód podkreślający wewnętrzną oporność celów lustrzanych na znane biocydy. Ten scenariusz podkreśla potrzebę dalszych dedykowanych badań w tej dziedzinie, jednocześnie ustanawiając metody in silico jako wszechstronną i skuteczną strukturę pierwszej linii do analizy, wolną od zagrożeń biologicznych i technicznych ograniczeń dostaw odczynników. Z perspektywy środowiskowej ryzyko rozprzestrzeniania się bakterii lustrzanych mogłoby być katastrofalne, choć nadal odległe. Powodem, dla którego wybraliśmy S. aureus jako studium przypadku, jest głównie jego rola jako patogenu ludzkiego i zwierzęcego oraz jego trwałość w kilku ekosystemach, w tym glebie, wodzie i łańcuchu pokarmowym. Co ważne, środowisko byłoby pierwszą linią kontroli do wdrażania skutecznych strategii powstrzymywania bakterii lustrzanych. W tym scenariuszu modelowanie obliczeniowe może zapewnić bezpieczną przestrzeń do dokładnego zbadania i nakreślenia możliwych strategii powstrzymywania, unikając ryzyka stworzenia niebezpiecznie niezrównoważonego scenariusza ryzyka i korzyści.

Podsumowanie

Artykuł przedstawia kompleksową analizę zjawiska lustrzanego życia i związanych z nim wyzwań medycznych. Badania koncentrują się na potencjalnych zagrożeniach wynikających z możliwości powstania mikroorganizmów zbudowanych z enancjomerycznych odpowiedników naturalnych składników biologicznych. Wykorzystując modelowanie komputerowe na przykładzie bakterii Staphylococcus aureus, naukowcy wykazali, że konwencjonalne antybiotyki mogą być nieskuteczne wobec lustrzanych form bakterii. Jednocześnie odkryto, że enancjomeryczne wersje antybiotyków mogłyby skutecznie zwalczać lustrzane mikroorganizmy, zachowując przy tym większą selektywność działania. Badania podkreślają konieczność rozwoju skutecznych strategii kontroli przed rozpoczęciem praktycznych eksperymentów z lustrzanym życiem oraz wskazują na kluczową rolę modelowania obliczeniowego w bezpiecznym testowaniu potencjalnych rozwiązań.