Efficient in planta production of amidated antimicrobial peptides that are active against drug-resistant ESKAPE pathogens

Abstract

Antimicrobial peptides (AMPs) are promising next-generation antibiotics that can be used to combat drug-resistant pathogens. However, the high cost involved in AMP synthesis and their short plasma half-life render their clinical translation a challenge. To address these shortcomings, we report efficient production of bioactive amidated AMPs by transient expression of glycine-extended AMPs in Nicotiana benthamiana line expressing the mammalian enzyme peptidylglycine α-amidating mono-oxygenase (PAM). Cationic AMPs accumulate to substantial levels in PAM transgenic plants compare to nontransgenic N. benthamiana. Moreover, AMPs purified from plants exhibit robust killing activity against six highly virulent and antibiotic resistant ESKAPE pathogens, prevent their biofilm formation, analogous to their synthetic counterparts and synergize with antibiotics. We also perform a base case techno-economic analysis of our platform, demonstrating the potential economic advantages and scalability for industrial use. Taken together, our experimental data and techno-economic analysis demonstrate the potential use of plant chassis for large-scale production of clinical-grade AMPs.

Cyanomethylquinolones as a New Class of Potential Multitargeting Broad-Spectrum Antibacterial Agents

“…The widespread use and even abuse of antibiotics have rapidly increased bacterial resistance. , Especially six superbugs, ESKAPE (Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumonia, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa, and Enterobacter), have been identified that pose a substantial threat to public health owing to their ability to increase the mortality rate. , Hence, developing new broad-spectrum antibacterial agents with unique structures that can protect against the ESKAPE strains is essential to mitigate the global drug resistance problem, which has emerged because new structural molecules may act on the unconventional antibacterial mechanisms. , …”

“…1,2 Especially six superbugs, ESKAPE (Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumonia, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa, and Enterobacter), have been identified that pose a substantial threat to public health owing to their ability to increase the mortality rate. 3,4 Hence, developing new broad-spectrum antibacterial agents with unique structures that can protect against the ESKAPE strains is essential to mitigate the global drug resistance problem, which has emerged because new structural molecules may act on the unconventional antibacterial mechanisms. 5,6 Since the second half of the last century, the focus of the global market has transferred from cephalosporin to chemosynthetic quinolones, which exhibit a broad-spectrum antibacterial activity and outstanding curative effects.…”

Antimikrobiyal Peptitlere Yönelik Güncel Eğilimler; Nanotaşıyıcı Sistemeler ve Farmasötik Uygulamalar

“…Yeni AMP bazlı ilaçların geliştirilmesi, biyoteknolojik çalışmalar ve farmasötik değerlendirme için bu moleküllerin büyük miktarlarda elde edilmesini gerektirir (Roshanak vd., 2023). Son birkaç yılda, birkaç yeni teknoloji nedeniyle AMP'lerin endüstriyel ölçekte üretilmesinde dikkate değer gelişmeler olmuştur (Chaudhary vd., 2023). AMP'lerin birçok faydalı özelliğine rağmen uygulama sonrasında diğer proteinler ile bir araya gelerek inaktive olması, gastrointestinal sistem ve kanda proteazlar ile parçalanması, böbrek ve karaciğerlerden hızlı klirensi, yüksek toksisite ve immünojenite, düşük oral absorbsiyon, düşük metabolik stabilite, yüksek üretim maliyetleri gibi sebepler nedeni ile in vivo uygulamaların tamamen gerçekleşememekte ve sadece çok az bir kısmı klinik uygulamalara geçebilmektedir (Makowski vd., 2019).…”

“…Bu rekombinant sistemler arasında, mikroorganizma konakçıları genellikle en çok kullanılanlardır, çünkü bunlar yüksek düzeyde sentez, modifikasyon ve heterolog AMP'lerin salgılanmasını sağlayan özelliklere sahiptir. Bu konaklar tarafından üretilen AMP'ler de dahil olmak üzere piyasada halihazırda çeşitli rekombinant proteinler mevcuttur (Chaudhary vd., 2023). E. coli bakterisi, genetik ve biyolojik süreçleri iyi bilindiğinden, hızlı büyüme oranı, yüksek verim ve basit akış yukarı süreci sergilediği için en yaygın kullanılan mikrobiyal hücre fabrikasıdır (Carreón-Rodríguez vd., 2023).…”

“…Sürecin sürdürülmesinde, biyofarmasötik olarak büyük ölçekli AMP'lerin üretimi için sürekli kültür gibi biyoreaktör sistemleri ve biyoproses stratejileri kullanılmaktadır (Park vd., 2021). Büyük ölçekli üretimin ardından, önemli bir amaç, hedef biyomolekülün geri kazanılması ve kültür ortamında bulunan yabancı maddelerin uzaklaştırılmasıdır (Chaudhary vd., 2023). Akış aşağı süreci olarak bilinen bu aşama, üretim süreçlerinde büyük hacimlerin işlenmesi ve ayrıca ilgili rekombinant biyomolekülün geri kazanılması için yeni teknolojilere sahiptir (Chaudhary vd., 2023).…”