Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd2735510.32607/actanaturae.27355Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticleHeterologous production of antimicrobial peptides in yeast allows for massive assessment of the activity of DNA-encoded antimicrobials in situГетерологическая продукция антимикробных пептидов в дрожжах позволяет проводить массированную оценку активности ДНК-кодируемых антимикробных агентов in situPipiyaS. O.ПипияС. O.
Russian Federation

Государственный научный центр Российской Федерации

sterekhoff@mail.ruIvanovaА. O.ИвановаА. O.
Russian Federation

Государственный научный центр Российской Федерации

sterekhoff@mail.ruMokrushinaYu. A.МокрушинаЮ. A.
Russian Federation

Государственный научный центр Российской Федерации

sterekhoff@mail.ruEliseevI. E.ЕлисеевИ. E.
Russian Federation

Государственный научный центр Российской Федерации

sterekhoff@mail.ruGabibovА. G.ГабибовА. Г.
Russian Federation

Государственный научный центр Российской Федерации

sterekhoff@mail.ruSmirnovI. V.СмирновИ. В.
Russian Federation

Государственный научный центр Российской Федерации

sterekhoff@mail.ruTerekhovS. S.ТереховС. С.
Russian Federation

Государственный научный центр Российской Федерации

sterekhoff@mail.ruShemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry of the Russian Academy of SciencesИнститут биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наукFaculty of Chemistry, Lomonosov Moscow State UniversityМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова2204202517171771312202311112024Copyright ©; 2025, Pipiya S.O., Ivanova А.O., Mokrushina Y.A., Eliseev I.E., Gabibov А.G., Smirnov I.V., Terekhov S.S.Copyright ©; 2025, Пипия С.O., Иванова А.O., Мокрушина Ю.A., Елисеев И.E., Габибов А.Г., Смирнов И.В., Терехов С.С.2025Pipiya S.O., Ivanova А.O., Mokrushina Y.A., Eliseev I.E., Gabibov А.G., Smirnov I.V., Terekhov S.S.Пипия С.O., Иванова А.O., Мокрушина Ю.A., Елисеев И.E., Габибов А.Г., Смирнов И.В., Терехов С.С.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/27355

Antibiotic resistance threatens global healthcare. In clinical practice, conventional antibiotics are becoming gradually less effective. Moreover, the introduction of new antimicrobial agents into clinical practice leads to the emergence of resistant pathogenic strains within just a few years. Hence, the development of platforms for massive creation and screening of new antimicrobial agents is of particular importance. Massive parallel screening will greatly reduce the time required to identify the most promising drug candidates. Meanwhile, DNA-encoded antimicrobial agents offer unique opportunities for the high-throughput development of new antibiotics. Here, the yeast Pichia pastoris was engineered to produce a panel of antimicrobial peptides (AMPs), followed by high-throughput screening of AMP producers that inhibit bacterial growth in situ. Yeast clones producing thanatin and protegrin-1 exhibited the highest level of antimicrobial activity among the panel of AMPs under investigation. The production level of recombinant thanatin was significantly higher than that of protegrin-1, which correlates with its low toxicity. The designed technique of massive assessment of the activity of DNA-encoded antimicrobial agents enables the identification of drug candidates with an increased therapeutic index. Further development of methods for a rational design of artificial diversity in AMPs, followed by deep functional profiling of antimicrobial activity, will yield new AMPs with improved therapeutic characteristics.

Кризис антибиотикорезистентности бросает вызов глобальной системе здравоохранения. Классические антибиотики все чаще становятся неэффективными в клинической практике. Более того, введение в клиническую практику новых антимикробных агентов в горизонте всего нескольких лет приводит к возникновению антибиотикорезистентных штаммов патогенов. Таким образом, разработка платформ массированного создания и поиска новых антимикробных агентов представляет особую значимость в условиях возникновения антибиотикорезистентных штаммов патогенов и частой неэффективности классических антибиотиков. Массированный поиск позволит многократно сократить время, необходимое для идентификации наиболее перспективных лекарственных кандидатов. ДНК-кодируемые антимикробные агенты, в свою очередь, открывают уникальные возможности для широкомасштабного создания новых антибиотиков. В данной работе клетки дрожжей Pichia pastoris были генетически модифицированы с целью продукции панели антимикробных пептидов (АМП) и последующего высокопроизводительного отбора продуцентов АМП, подавляющих рост бактерий in situ. Наибольшей антимикробной активностью обладали дрожжевые клоны-продуценты танатина и протегрина-1. При этом уровень продукции рекомбинантного танатина был значительно выше, чем протегрина-1, что коррелирует с данными о его низкой токсичности. Разработанные методы массированной оценки активности ДНК-кодируемых антимикробных агентов позволяют идентифицировать лекарственные кандидаты с повышенным терапевтическим индексом. Развитие методов направленного создания искусственного разнообразия АМП и использование технологий глубокого функционального профилирования антимикробной активности позволят разработать новые АМП с улучшенными терапевтическими характеристиками.

antimicrobial peptides AMPsyeast Pichia pastorisheterologous productiontemplate searchprotegrin-1thanatinантимикробные пептидыдрожжи Pichia pastorisгетерологическая продукцияпоиск матрицпротегрин-1танатинRussian Science FoundationРоссийский научный фонд21-14-00357Murray C.J.L., Ikuta K.S., Sharara F., Swetschinski L., Robles Aguilar G., Gray A., Han C., Bisignano C., Rao P., Wool E., et al. // The Lancet. 2022. V. 399. № 10325. P. 629–655.Cherny S.S., Nevo D., Baraz A., Baruch S., Lewin-Epstein O., Stein G.Y., Obolski U. // J. Antimicrob. Chemother. 2021. V. 76. № 1. P. 239–248.Nichol D., Rutter J., Bryant C., Hujer A.M., Lek S., Adams M.D., Jeavons P., Anderson A.R.A., Bonomo R.A., Scott J.G. // Nat. Commun. 2019. V. 10. № 1. P. 334.Itoh H., Tokumoto K., Kaji T., Paudel A., Panthee S., Hamamoto H., Sekimizu K., Inoue M. // Nat. Commun. 2019. V. 10. № 1. P. 2992.Li S., She P., Zhou L., Zeng X., Xu L., Liu Y., Chen L., Wu Y. // Front. Microbiol. 2020. V. 11. P. 591426.Lewis K. // Cell. 2020. V. 181. № 1. P. 29–45.Terekhov S.S., Smirnov I.V., Malakhova M.V., Samoilov A.E., Manolov A.I., Nazarov A.S., Danilov D.V., Dubiley S.A., Osterman I.A., Rubtsova M.P., et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2018. V. 115. № 38. P. 9551–9556.Magana M., Pushpanathan M., Santos A.L., Leanse L., Fernandez M., Ioannidis A., Giulianotti M.A., Apidianakis Y., Bradfute S., Ferguson A.L., et al. // Lancet Infect. Dis. 2020. V. 20. № 9. P. e216–e230.Barreto-Santamaría A., Arévalo-Pinzón G., Patarroyo M.A., Patarroyo M.E. // Antibiotics. 2021. V. 10. № 12. P. 1499.Porto W.F., Pires A.S., Franco O.L. // Biotechnol. Adv. 2017. V. 35. № 3. P. 337–349.Jhong J.-H., Yao L., Pang Y., Li Z., Chung C.-R., Wang R., Li S., Li W., Luo M., Ma R., et al. // Nucl. Acids Res. 2022. V. 50. № D1. P. D460–D470.Ma Y., Guo Z., Xia B., Zhang Y., Liu X., Yu Y., Tang N., Tong X., Wang M., Ye X., et al. // Nat. Biotechnol. 2022. V. 40. № 6. P. 921–931.Mourtada R., Herce H.D., Yin D.J., Moroco J.A., Wales T.E., Engen J.R., Walensky L.D. // Nat. Biotechnol. 2019. V. 37. № 10. P. 1186–1197.Kim H., Jang J.H., Kim S.C., Cho J.H. // Eur. J. Med. Chem. 2020. V. 185. P. 111814.Chun J., Bai J., Ryu S. // ACS Synth. Biol. 2020. V. 9. № 3. P. 508–516.Kazmirchuk T.D.D., Bradbury-Jost C., Withey T.A., Gessese T., Azad T., Samanfar B., Dehne F., Golshani A. // Genes. 2023. V. 14. № 6. P. 1194.Hollmann A., Martinez M., Maturana P., Semorile L.C., Maffia P.C. // Front. Chem. 2018. V. 6. Р. 204.Karbalaei M., Rezaee S.A., Farsiani H. // J. Cell Physiol. 2020. V. 235. № 9. P. 5867–5881.Wu S., Letchworth G.J. // Biotechniques. 2004. V. 36. № 1. P. 152–154.Schägger H. // Nat. Protoc. 2006. V. 1. № 1. P. 16–22.Lõoke M., Kristjuhan K., Kristjuhan A. // BioTechniques. 2011. V. 50. № 5. P. 325–328.Terekhov S.S., Eliseev I.E., Ovchinnikova L.A., Kabilov M.R., Prjibelski A.D., Tupikin A.E., Smirnov I.V., Belogurov A.A., Severinov K.V., Lomakin Y.A., et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2020. V. 117. № 44. P. 27300–27306.Wang G., Li X., Wang Z. // Nucl. Acids Res. 2016. V. 44. № D1. P. D1087–D1093.Pirtskhalava M., Amstrong A.A., Grigolava M., Chubinidze M., Alimbarashvili E., Vishnepolsky B., Gabrielian A., Rosenthal A., Hurt D.E., Tartakovsky M. // Nucl. Acids Res. 2021. V. 49. № D1. P. D288–D297.Koczulla A.R., Bals R. // Drugs. 2003. V. 63. № 4. P. 389–406.Bahar A.A., Ren D. // Pharmaceuticals. 2013. V. 6. № 12. P. 1543–1575.Lázár V., Martins A., Spohn R., Daruka L., Grézal G., Fekete G., Számel M., Jangir P.K., Kintses B., Csörgő B., et al. // Nat. Microbiol. 2018. V. 3. № 6. P. 718–731.Edwards I.A., Elliott A.G., Kavanagh A.M., Zuegg J., Blaskovich M.A.T., Cooper M.A. // ACS Infect. Dis. 2016. V. 2. № 6. P. 442–450.Hou Z., Lu J., Fang C., Zhou Y., Bai H., Zhang X., Xue X., Chen Y., Luo X. // J. Infect. Dis. 2011. V. 203. № 2. P. 273–282.Tanhaeian A., Azghandi M., Mousavi Z., Javadmanesh A. // Protein Pept. Lett. 2020. V. 27. № 1. P. 41–47.