مقاومت آنتی‌بیوتیکی در حال افزایش است. عفونت‌ها بدون کنترل گسترش می‌یابند و درمان‌های قدیمی دیگر کارایی ندارند. راه‌حل بعدی ممکن است نه از آزمایشگاه‌ها، بلکه از مرداب‌ها و جنگل‌ها بیاید. قورباغه‌ها – بازماندگان کهن اکوسیستم‌های متغیر زمین – دفاع‌های طبیعی قدرتمندی تکامل داده‌اند. این دفاع‌ها ممکن است کلید آنتی‌بیوتیک‌های آینده باشند.
قورباغه‌ها در محیط‌هایی پر از میکروب زندگی می‌کنند، اما به ندرت دچار عفونت می‌شوند. این موضوع مدت‌هاست که پژوهشگران را شگفت‌زده کرده است. آیا ممکن است قورباغه‌ها رازهای زیستی در خود داشته باشند که بتواند جان انسان‌ها را نجات دهد؟
یک مطالعه جدید به سرپرستی پروفسور سزار د لا فوئنته از دانشگاه پنسیلوانیا نشان می‌دهد که پاسخ مثبت است. تیم او در حال بررسی دفاع‌های مولکولی قورباغه‌ها برای طراحی آنتی‌بیوتیک‌های مصنوعی است که ممکن است باکتری‌های مقاوم به دارو را شکست دهند.
تکامل قورباغه‌ها و شکل‌گیری آنتی‌بیوتیک‌های قوی
قورباغه‌ها بیش از ۲۰۰ میلیون سال قدمت دارند. آن‌ها در قاره‌ها و اقلیم‌های گوناگون گسترش یافته‌اند و خود را با جنگل‌ها، رودخانه‌ها، بیابان‌ها و جنگل‌های سردسیر وفق داده‌اند. زندگی در محیط‌های مرطوب و پر از میکروب آن‌ها را دائماً در معرض تهدیدات باکتریایی قرار داده است.
برای بقا، بسیاری از گونه‌ها پپتیدهای ضدمیکروبی در پوست خود تکامل داده‌اند. این ترکیبات طبیعی باکتری‌های مضر را بلافاصله از بین می‌برند. برخلاف آنتی‌بیوتیک‌های سنتی، این پپتیدها به‌راحتی منجر به مقاومت دارویی نمی‌شوند.
یکی از گونه‌های قورباغه به نام Odorrana andersonii مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. این گونه پپتیدی به نام Andersonnin-D1 تولید می‌کند که نخستین بار توسط دانشمندان چینی در سال ۲۰۱۲ شناسایی شد.
با وجود تأثیر قوی آن بر باکتری‌ها، این پپتید به دلیل تمایل به تجمع و ایجاد سمیت، کارایی بالایی ندارد. به همین دلیل، بدون اصلاح، قابلیت استفاده در پزشکی را ندارد.
مأموریتی برای بازسازی نقشه‌های طبیعت
آزمایشگاه پروفسور د لا فوئنته در تقاطع زیست‌شناسی، مهندسی و شیمی سنتزی فعالیت می‌کند. تیم او به دنبال الهام‌گرفتن از زوایای فراموش‌شده طبیعت است.
پژوهش‌های قبلی آن‌ها DNA باستانی حیوانات منقرض‌شده مانند ماموت پشمالو و نئاندرتال‌ها را بررسی کرده‌اند. همچنین به مطالعه میکروبیوم روده انسان پرداخته‌اند که مملو از ترکیبات طبیعی است.
د لا فوئنته می‌گوید:
“هر مطالعه‌ای با این تصور آغاز می‌شود که چه محیط‌هایی می‌توانند تکامل آنتی‌بیوتیک‌ها را تحریک کنند. دوزیستان در محیط‌هایی بسیار غنی از میکروب زندگی می‌کنند. با این حال، به ندرت دچار عفونت می‌شوند، بنابراین باید ترکیبات ضدمیکروبی تولید کنند.”
بر اساس این منطق تکاملی، تیم پژوهشی تصمیم گرفت Andersonnin-D1 را اصلاح کند. هدف این بود که اثرات مخرب آن را حذف کرده و در عین حال توانایی آن در مبارزه با باکتری‌ها را حفظ کنند.
بهبود آنتی‌بیوتیک‌های قورباغه در آزمایشگاه
پژوهشگران با استفاده از طراحی هدایت‌شده توسط ساختار، ساختار شیمیایی Andersonnin-D1 را تغییر دادند. این روش به آن‌ها امکان می‌دهد تغییرات کوچکی در توالی مولکولی ایجاد کرده و اثرات آن را مشاهده کنند.
مارسلو تورس، یکی از پژوهشگران آزمایشگاه د لا فوئنته، توضیح می‌دهد:
“با طراحی هدایت‌شده، ما توالی مولکول را تغییر می‌دهیم و سپس بررسی می‌کنیم که این جهش‌ها چگونه عملکردی را که می‌خواهیم بهبود ببخشیم، تحت تأثیر قرار می‌دهند.”
این روش منجر به تولید چندین پپتید مصنوعی شد. این نسخه‌ها اثر ضد میکروبی قوی خود را حفظ کردند اما دیگر دچار تجمع و سمیت نشدند. هر طراحی با هدف دقت بالا انجام شد تا مولکول‌هایی مناسب برای استفاده عملی تولید شوند.
آزمایش مولکول‌ها
طراحی آنتی‌بیوتیک‌های جدید بر اساس قورباغه‌ها تنها آغاز کار بود. برای اثبات کارایی آن‌ها، پپتیدهای سنتزی باید در آزمایش‌های سخت آزمایشگاهی موفق می‌شدند.
تیم تحقیقاتی این مولکول‌ها را در برابر انواع باکتری‌های مضر آزمایش کرد. نتایج امیدوارکننده بودند. در مدل‌های پیش‌بالینی، پپتیدها قدرتی مشابه پلی‌میکسین B – یک داروی آخرین راهکار برای عفونت‌های مقاوم – نشان دادند.
مهم‌تر از همه، این آنتی‌بیوتیک‌های سنتزی سمیت کمی داشتند. آن‌ها به سلول‌های انسانی آسیبی نرساندند و تعادل باکتری‌های مفید روده را مختل نکردند. این ویژگی آن‌ها را هدفمندتر و کم‌ضررتر از بسیاری از داروهای موجود می‌کند.
د لا فوئنته توضیح می‌دهد:
“این آزمایش‌ها بسیار دشوار هستند زیرا نیاز به رشد هم‌زمان انواع مختلفی از باکتری‌ها دارند. ما باید نسبت مشخصی از هر باکتری را تنظیم می‌کردیم تا یک جامعه پایدار ایجاد کنیم.”
این مدل‌های مبتنی بر اجتماع، شرایط عفونت‌های واقعی در بدن انسان را بهتر بازتاب می‌دهند.
گام‌هایی به‌سوی استفاده بالینی
اگر مطالعات بعدی نتایج قوی را تأیید کنند، تیم تحقیقاتی آماده انجام مطالعات مقدماتی (IND) خواهد شد.
این آزمایش‌ها ایمنی و کارایی دارو را پیش از ارسال به سازمان غذا و داروی ایالات متحده (FDA) ارزیابی می‌کنند. تنها پس از عبور از این مراحل، این پپتیدها می‌توانند وارد آزمایشات بالینی روی بیماران انسانی شوند.
د لا فوئنته می‌گوید:
“ما هیجان‌زده‌ایم که قورباغه‌ها – و طبیعت به‌طور کلی – می‌توانند الهام‌بخش تولید مولکول‌های جدیدی باشند که به آنتی‌بیوتیک تبدیل شوند. با کمک مهندسی، می‌توانیم این مولکول‌های طبیعی را به چیزی مفیدتر برای بشریت تبدیل کنیم.”
این پژوهش، ترکیبی از زیست‌شناسی تکاملی و مهندسی پیشرفته است. این مطالعه نشان می‌دهد که چگونه بررسی دقیق دفاع‌های طبیعی می‌تواند راهنمای تولید داروهای نجات‌بخش باشد.
نقش طبیعت در نوآوری
این تحقیق در دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه پنسیلوانیا انجام شده و توسط سازمان‌هایی مانند مؤسسه ملی سلامت (NIH)، آژانس کاهش تهدیدات دفاعی (DTRA)، شرکت پروکتر اند گمبل (P&G) و بنیاد AIChE تأمین مالی شده است.
این مطالعه تنها درباره قورباغه‌ها یا آنتی‌بیوتیک‌ها نیست، بلکه بخشی از یک جنبش بزرگ‌تر در علم است. به جای ساخت مولکول‌های کاملاً جدید، پژوهشگران بیش‌ازپیش به راه‌حل‌هایی که تکامل طی میلیون‌ها سال آزمایش کرده، روی آورده‌اند.
در این مورد، دفاع مولکولی یک قورباغه ممکن است به یک پیشرفت پزشکی بزرگ منجر شود. در جستجوی آنتی‌بیوتیک‌های جدید، ممکن است حیوانات باستانی – و دانشمندانی که آن‌ها را مطالعه می‌کنند – نقش کلیدی در محافظت از آینده ما ایفا کنند.
