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Das Auftreten von Tierseuchen nimmt zu, und dieses Phänomen wird durch den Klimawandel beeinflusst. Der Anstieg der globalen Temperatur hat zur Vermehrung von Mikroorganismen und zum Auftreten opportunistischer Krankheitserreger geführt, die zur Entwicklung virulenter und arzneimittelresistenter Krankheiten beitragen1. Der Klimawandel wirkt sich auf das Mikrobiom von Boden, Wasser, Haut und Darm aus, was zu einer anhaltenden Belastung der Tierphysiologie und der Anpassung an die Umwelt führt. Es hat sich gezeigt, dass dieses Phänomen die Immunreaktion beeinträchtigt und die Tiere anfälliger für neu auftretende Krankheitserreger macht, was tödliche Folgen haben und möglicherweise zum Aussterben bestimmter Arten führen kann 2,3,4,5. Ein herausragendes Beispiel ist das Weißnasensyndrom (WNS), eine Krankheit, die durch den Pilz Pseudogymnoascus destructans verursacht wird und Fledermäuse im Winterschlaf befällt. Diese und andere Krankheiten wurden erst identifiziert, als 2006 ein erhebliches Sterbeereignis auf dem amerikanischen Kontinentauftrat 6. Um die durch solche Krankheitserreger verursachten Schäden zu mildern, haben sich die Forscher der Verabreichung von Antimykotika wie Itraconazol und Ketoconazol und Probiotika zugewandt, einschließlich der Inokulation mit der nützlichen Mikrobiota Pseudomonas fluorescens7. Ein weiteres Beispiel für eine durch einen Pilz verursachte Krankheit ist die von Ophidiomyces ophiodiicola, einem Pilz, der sowohl bei in Gefangenschaft als auch bei wilden Schlangen Dermatitis und multisystemische Erkrankungen verursacht 4,8.
Diese Studien unterstreichen die Notwendigkeit eines erhöhten Bewusstseins und Verständnisses für Pilzkrankheiten bei Wildtieren, um praktische Lösungen schnell umsetzen zu können. Bei Amphibien wurden Pilzinfektionen berichtet, und ein weit verbreiteter Erreger, der diese Tiere befällt, ist der Wasserpilz Batrachochytrium dendrobatidis (Bd), der Chytridiomykose verursacht. Diese Krankheit verursacht bei empfänglichen Tieren schwere Hautläsionen und stört die normale Hautfunktion, was möglicherweise zur Mortalität führenkann 9. Dieser Erreger wird seit dem 20. Jahrhundert umfassend verbreitet und trug zum Aussterben von 90 Amphibienarten bei. Die Prävalenz dieser Infektionen stellt eine erhebliche Herausforderung bei der Prävention und der Identifizierung wirksamer Behandlungen dar, da sie die Berücksichtigung verschiedener ökologischer, physiologischer, Mikrobiom- und anderer Faktoren erfordern10.
Es ist ein gut dokumentiertes Phänomen, dass pathogene Mikroorganismen die Fähigkeit besitzen, Resistenzmechanismen durch genetische Kodierung schnell zu entwickeln, ein Prozess, der durch die Herstellung externer Effluxpumpen für Medikamente und Antibiotika veranschaulicht werdenkann 11. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass diese Mikroorganismen die Zusammensetzung der Membranlipide modifizieren, mit dem Ziel, den Wirkungen bestimmter Moleküle entgegenzuwirken12. Das Gebiet der Proteinsequenzen hat großes Interesse geweckt, insbesondere im Zusammenhang mit der Integration in Behandlungsansätze und der Konstruktion von Proteinstrukturmodellen. Diese Modelle sind so konzipiert, dass sie die Laborzeit und -ressourcen vor Beginn der Proteinsynthese optimieren13. Die Prävention von Infektionen ist in diesen Fällen eine komplexe Aufgabe, an der mehrere ökologische, physiologische und mikrobiome Faktoren beteiligt sind14. Dieser Ansatz ermöglicht ein effektiveres Zeit- und Ressourcenmanagement im Labor und unterstreicht die Komplexität der Aufgabe.
Um das Potenzial bestehender Verbindungen für praktische Anwendungen zu erhöhen und neue Verbindungen mit einem größeren Potenzial für solche Anwendungen zu schaffen, ist es unerlässlich, Fachwissen aus verschiedenen Disziplinen wie Chemie, Molekularbiologie, Physik und Programmierung einzusetzen. Zu diesem Zweck stehen verschiedene Werkzeuge zur Verfügung, darunter I-TASSER (Iterative Threading ASSembly Refinement)15,16 und trRosetta17,18 (Protein structure prediction by TRansform-restrained Rosetta). Vorhersage von Strukturproteinen und UCSF Chimera (ein Visualisierungssystem für explorative Forschung und Analyse von der University of California, San Francisco)19 und HEX loria (ein interaktives Protein-Docking- und molekulares Superpositionsprogramm)20 für molekulares Docking und PDB-Dateibearbeitung.
I-TASSER ist ein automatisierter Online-Server, der Struktur und Funktion vorhersagt. Dieses Programm ist über einen Webbrowser oder als Download zugänglich. Auf der Einreichungsseite können Benutzer die Sequenz im FASTA-Format eingeben oder ein Archiv in .txt Format herunterladen. Der Serverprozess umfasst die Identifizierung von Strukturvorlagen mit einem gewissen Grad an Homologie, wie in Local Meta-Threading Server LOMETS 20,21,22,23,24,25 beschrieben. Nach der Verarbeitung von einer Million potenzieller Ergebnisse durch den Server wird ein Filtrationsprozess eingeleitet und die Fragmente werden auf der Grundlage der Root Median Square Deviation (RMSD), TM (eine Metrik zur Bewertung der strukturellen Ähnlichkeit zwischen zwei Modellen) und des C-Scores (eine Metrik zur Bewertung der Zuverlässigkeit von Proteinstrukturmodellen, die von Tools generiert werden) ausgewählt. Der Benutzer kann die Ergebnisse auf der Grundlage von vorgegebenen Parametern, die im Programm bereitgestellt werden, anpassen oder seine eigenen Werte eingeben, abhängig von seiner spezifischen Sequenz oder seinen strukturellen Erwartungen 20,21,22,23,24,25.
trRosetta ist ein hochwirksames Programm zur Vorhersage der Proteinstruktur. Auf diesem Server können Benutzer Sequenzen in einem Archivformat, TXT, FASTA, Eingabesequenz oder Multiple Alignment Sequences (MSA) senden. Dieses Programm ermöglicht es dem Benutzer, zwischen Vorlagen zu wählen oder trRosetta-single für die Sequenzfaltung auszuführen. Diese Server nutzen ein Deep-Learning-Netzwerk, um strukturelle Vorhersagen zu generieren. Der Prozess der Sequenzvorhersage umfasst einen ersten Schritt der Vorhersage von Kontakten und Entfernungskarten, gefolgt von der Auswahl der fünf besten Vorlagen für das endgültige Modell und einem Schritt zur Minimierung des Energies für Faltung und Verfeinerung17.
Der HADDOCK-Server (High Ambiguity Protein-Protein Docking) ist ein Rechenwerkzeug, das das flexible Andocken von zwei oder mehr PDB-Dateien ermöglicht, die Protein-, Peptid-, Liganden- und Rezeptorstrukturen umfassen. Dieser Server verwendet einen Ansatz, der AIRs (Ambiguous Interaction Restraints) beinhaltet, die Informationen von vorhergesagten oder identifizierten Proteinen während des Andockprozesses kodieren. AIRs umfassen Aminosäurebeschränkungen, die als passive oder aktive Aminosäuren kategorisiert werden. Von besonderer Bedeutung ist der Einbau aktiver Aminosäuren, da sie auf potenzielle Bindungs- oder Interaktionsstellen zwischen Proteinrezeptoren hinweisen. Das Design des Programms bezieht die Lösungsmittelexposition in das Modell26 ein.
HEX Loria ist ein interaktiver Online-Server, der die Analyse von Proteinkomplexen und das molekulare Andocken erleichtert. Dieser Server kann Koordinatenarchive im PDB-Format (Protein Data Bank) lesen und schnell Docking-Berechnungen mit NVIDIA- oder CUDA-Grafikzielen erstellen. Das Programm kann bis zu 1.000 Andockvorhersagen erstellen und verwendet den Korrelations-Fourier für die Gesamtorientierung von zwei Molekülen27. Die HEX Loria-Schnittstelle ist benutzerfreundlich gestaltet und ermöglicht es Forschern, ihre Proteinstrukturen nahtlos hochzuladen und Parameter für Docking-Simulationen zu konfigurieren. Es hat sich gezeigt, dass die Fähigkeit des Servers, NVIDIA- oder CUDA-Grafikprozessoren zu nutzen, zu einer erheblichen Beschleunigung der Rechenzeit führt, wodurch Forscher Ergebnisse mit größerer Zweckmäßigkeit erzielen können. Darüber hinaus bietet HEX Loria eine Reihe von Visualisierungsoptionen für das Andocken von Ergebnissen, die es dem Benutzer ermöglichen, eine detaillierte Analyse der vorhergesagten Protein-Protein-Wechselwirkungen durchzuführen.
Die Verwendung der UCSF-Chimäre ist unerlässlich, um die Genauigkeit der Forschungsergebnisse zu gewährleisten. Diese Software erfordert die Installation für die Ausführung des vorliegenden Protokolls, und die daraus resultierenden Funktionalitäten werden eingesetzt: Messung von interatomaren Abständen und verschiedene andere analytische Aufgaben. Die Software verfügt über Funktionen wie Beschriftung, Farbgebung, Oberflächendarstellung und Export von Abbildungen im JPG- oder PNG-Format. Die Einarbeitung von Markierungen und Farben erleichtert die Identifizierung von Aminosäuren mit einer hohen Wahrscheinlichkeit des Kontakts zwischen dem Rezeptor und dem entworfenen antimikrobiellen Protein. Darüber hinaus ermöglicht es die genaue Messung des Abstands zwischen diesen Aminosäuren.
Dieses Protokoll zielt darauf ab, alternative Behandlungsoptionen für das aufkommende Gesundheitsproblem von Amphibien zu identifizieren. Chytridiomykose, eine Pilzinfektion der Haut, wurde in verschiedenen Stadien der Amphibienentwicklung beobachtet. Die Hauptinfektionsquelle bei diesen Tieren sind die Gewässer, in denen sie sich typischerweise aufhalten und verschiedenen Aktivitäten nachgehen. Die Entwicklung eines wirksamen Antimykotikums erfordert die Identifizierung von mindestens drei molekularen Zielen: die Interaktion mit der Zellwand unter Verwendung von Ladungen, die Bindung an die Plasmamembran und schließlich die Bindung und Interaktion mit einem Rezeptorprotein auf Membranebene, das eine wichtige Rolle beim Pilz Bd spielt.