bioinformatic development of a recombinant trivalent synthetic protein construct using ptxa, tox, and tetx toxins as a dtp vaccine candidate

Traditionally, diphtheria-tetanus-pertussis (dtwp or dtap) as pediatric vaccines are produced from the corresponding inactivated toxins or whole -cell pathogenic bacteria of corynebacterium diphtheria toxin (tox), clostridium tetani toxin (tetx) and bordetella pertussis. there are major concerns in the classic or acellular dtp (dtap) vaccine production processes from native live bacterial sources as it may raise concerns on adverse effects and safety issues, complexity of the purifications for each agent as well as cost. here, we designated a recombinant multi-epitope vaccine candidates by vaccino-informatics study to address the mentioned issues and to develop a single trivalent fusion protein as a potent recombinant dtp vaccine. to achieve these goals, stages of immune-bioinformatics were retrieved using proteinaceous toxins sequences, predicting secondary/tertiary structure and transmembrane topology, energy minimization, and model validation. then, conformational and linear bcell epitope prediction by several servers, mapping of consensus linear/discontinuous immunogenic regions and construction synthetic fusion vaccine candidates in respect to optimal immunogenic, physicochemical properties and high expression in prokaryote host were achieved. finally, reverse translation, codon optimization, addition of cloning tags for pet 28a vector and optimization of physicochemical properties of synthetic trivalent fusion protein were performed. through various hybrid immuno-informatics and structural bioinformatics analysis of predicted and experimental epitopes finally, 12 new consensus highly immunogenic linear and discontinuous epitopes in tox, tetx and ptxa proteins were selected. the peptide sequences of these immunogenic regions were as follows: ptxa (aa34-64, aa184-256 and aa98-116), tox (aa47-76, aa117-159, aa515-557 and aa245-265) and tetx (aa226-249, aa819-844, aa923-967, aa1009-1067 and aa1225-1315). in addition, the characteristics of the recombinant trivalent fusion construct were; 546 residue length, soluble (grand average of hydropathicity (gravy) was -0.475), estimated half-life was >10 hours in escherichia coli, pi 5.94 (a little acidic), stable protein (the instability index (ii) 35.58) as well as thermally stable (aliphatic index (ai) 71.67). the putative antigenic epitopes from different organisms in a single protein, as in the current study, will possibly improve the protective efficacy as novel potent, safe, cheap and broad-spectrum vaccines for better prevention of diphtheria, tetanus and pertussis infections in the future.

توسعه بیوانفورماتیک یک ساختار پروتئینی سه ظرفیتی نوترکیب با استفاده از توکسین های ptxa، tox و tetx به عنوان واکسن کاندید dtp

به طور سنتی، دیفتری-کزاز- سیاه سرفه به عنوان واکسن های اطفال از سموم غیر فعال مربوطه یا باکتری های بیماریزای کل سلولی سم کورینه باکتریوم دیفتری (tox)، سم کلستریدیوم تتانی tetx) و (bordetella pertussis تولید می شوند. نگرانی‌های عمده‌ای در فرآیندهای تولید واکسن کلاسیک یا بدون سلولی dtp از منابع زنده بومی باکتری‌ها وجود دارد، زیرا ممکن است نگرانی‌هایی را در مورد اثرات نامطلوب و مسائل ایمنی، پیچیدگی تخلیص برای هر عامل و همچنین هزینه‌ها ایجاد کند. ما واکسن کاندید چند اپی توپی نوترکیب را با مطالعه واکسن انفورماتیک برای مرتفع کردن مسائل ذکر شده و توسعه یک پروتئین فیوژن سه ظرفیتی به عنوان واکسن نوترکیب قوی dtp تعیین کردیم. بنابراین مراحل بیوانفورماتیک ایمنی با استفاده از توالی‌های سموم پروتئینی، پیش‌بینی ساختار ثانویه/ثالثیه و توپولوژی گذرنده، کمینه‌سازی انرژی و اعتبارسنجی مدل‌ها بازیابی شد. سپس، پیش‌بینی ساختاری و خطی اپی توپ سلول b توسط چندین سرور مختلف، نقشه‌برداری اجماع مناطق ایمنی‌زا خطی/ناپیوسته و ساخت واکسن ترکیبی مصنوعی با توجه به خواص ایمنی، فیزیکی و شیمیایی بهینه و بیان بالا در میزبان پروکاریوت به دست آمد. در نهایت، ترجمه معکوس، بهینه‌سازی کدون، افزودن برچسب‌های شبیه‌سازی برای وکتور pet 28a و بهینه‌سازی ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی پروتئین فیوژن سه ظرفیتی مصنوعی انجام شد. با تجزیه و تحلیل‌های ترکیبی مختلف ایمنی-انفورماتیک و بیوانفورماتیک ساختاری پیش‌بینی‌شده و اپی توپ‌های تجربی در نهایت، 12 اپی توپ خطی و ناپیوسته بسیار ایمونوژنیک جدید در پروتئین‌های tox، tetx و ptxa انتخاب شدند. توالی پپتیدی این مناطق ایمنی زا به شرح زیر بود. ptxa (aa34-64، aa184-256 و aa98-116)، tox (aa47-76، aa117-159، aa515-557 و aa245-265) و tetx (aa226-249، aa819-82449، aa706 1067 و aa1225-1315). ضمنا، ویژگی های سازه همجوشی سه ظرفیتی نوترکیب بودند. 546 طول باقیمانده، قابل حل (میانگین کل هیدروپاتیک 0.475- بود)، نیمه عمر تخمینی بیش از 10 ساعت در اشریشیا کلی، 5.94کمی اسیدی، پروتئین پایدار شاخص ناپایداریii) 35.58) و همچنین پایدار حرارتی. اپی توپ های آنتی ژنی فرضی از ارگانیسم های مختلف در یک پروتئین واحد، مانند مطالعه فعلی، احتمالاً اثر محافظتی به عنوان واکسن های جدید قوی، ایمن، ارزان و وسیع الطیف برای پیشگیری بهتر از عفونت های دیفتری، کزاز و سیاه سرفه در آینده بهبود می بخشد.