Chemici z MIT objevili strukturu proteinu, který dokáže pumpovat toxické molekuly z bakteriálních buněk. Předpokládá se, že proteiny podobné tomuto, které se nacházejí v E. coli, pomáhají bakteriím stát se odolnými vůči více antibiotikům.
Pomocí nukleární magnetické rezonance (NMR) spektroskopie byli vědci schopni určit, jak se struktura tohoto proteinu mění, když se přes něj pohybuje molekula podobná léku. Znalost této podrobné struktury může umožnit navrhnout léky, které by mohly blokovat tyto transportní proteiny a pomoci resenzibilizovat bakterie rezistentní vůči lékům na existující antibiotika, říká Mei Hong, profesor chemie na MIT.
„Když znáš strukturu kapsy tohoto proteinu vázajícího léčivo, můžeme se pokusit navrhnout konkurenty těmto substrátům, abyste mohli zablokovat vazebné místo a zabránit proteinu v odstraňování antibiotik z buňky,“říká Hong, který je hlavním autorem článku.
postgraduální student MIT Alexander Shcherbakov je hlavním autorem studie, která se dnes objevuje v Nature Communications. Výzkumný tým také zahrnuje postgraduálního studenta MIT Aurelio Dregni a dva výzkumníky z University of Wisconsin v Madisonu: postgraduální studentku Peyton Spreacker a profesorku biochemie Katherine Henzler-Wildman.
Přepravníky rezistence na léky
Pumpování léků ven přes jejich buněčné membrány je jednou z mnoha strategií, které mohou bakterie použít, aby se vyhnuly antibiotikům. Již několik let Henzler-Wildmanova skupina na University of Wisconsin studuje membránově vázaný protein zvaný EmrE, který může transportovat mnoho různých toxických molekul, včetně herbicidů a antimikrobiálních sloučenin.
EmrE patří do rodiny proteinů nazývaných malé transportéry multidrugové rezistence (SMR). I když se EmrE přímo nepodílí na rezistenci vůči antibiotikům, u jiných členů rodiny byly nalezeny formy Mycobacterium tuberculosis a Acinetobacter baumanii odolné vůči lékům.
"SMR transportéry mají vysokou konzervaci sekvence napříč klíčovými oblastmi proteinu. EmrE je zdaleka nejlépe prozkoumaným členem rodiny, in vitro i in vivo, což z něj dělá ideální modelový systém pro zkoumání struktura, která podporuje aktivitu SMR,“říká Henzler-Wildman.
Před několika lety vyvinula Hongova laboratoř techniku, která výzkumníkům umožňuje používat NMR k měření vzdáleností mezi fluorovými sondami a atomy vodíku v proteinech. To umožňuje určit strukturu proteinu, který se váže na molekulu obsahující fluor.
Poté, co Hong na konferenci promluvil o nové technice, Henzler-Wildman navrhl, aby se spojili a prostudovali EmrE. Její laboratoř strávila mnoho let studiem toho, jak EmrE transportuje molekulu podobnou léku nebo ligand přes fosfolipidovou membránu. Tento ligand, známý jako F4-TPP+, je čtyřstěnná molekula se čtyřmi atomy fluoru připojenými k ní, po jednom v každém rohu.
Pomocí tohoto ligandu s Hongovou novou NMR technikou se vědci rozhodli určit strukturu EmrE pro atomové rozlišení. Již bylo známo, že každá molekula EmrE obsahuje čtyři transmembránové šroubovice, které jsou zhruba paralelní. Dvě molekuly EmrE se spojí do dimeru, takže osm transmembránových helixů tvoří vnitřní stěny, které interagují s ligandem, když se pohybuje kanálem. Předchozí studie odhalily celkovou topologii helixů, ale ne proteinových postranních řetězců, které zasahují do nitra kanálu, což jsou jako ramena, která uchopí ligand a pomohou ho vést kanálem.
EmrE transportuje toxické molekuly z nitra bakteriální buňky, která má neutrální pH, do vnější, která je kyselá. Tato změna pH přes membránu ovlivňuje strukturu EmrE. V článku z roku 2021 Hong a Henzler-Wildman objevili strukturu proteinu, jak se váže na F4-TPP+ v kyselém prostředí. V nové studii Nature Communications analyzovali strukturu při neutrálním pH, což jim umožnilo určit, jak se struktura proteinu mění se změnou pH.
Úplná struktura
Při neutrálním pH vědci v této studii zjistili, že čtyři šroubovice, které tvoří kanál, jsou vzájemně relativně paralelní a vytvářejí otvor, do kterého může ligand snadno vstoupit. Jak pH klesá a pohybuje se směrem k vnější straně membrány, šroubovice se začnou naklánět, takže kanál je otevřenější směrem k vnější straně buňky. To pomáhá vytlačit ligand z kanálu. Současně několik kruhů nalezených v postranních řetězcích proteinu posouvá svou orientaci způsobem, který také pomáhá vyvést ligand z kanálu.
Kyselý konec kanálu je také přívětivější pro protony, které vstupují do kanálu a pomáhají mu dále se otevřít, což umožňuje ligandu snadněji vystoupit.
„Tyto noviny skutečně dokončují příběh,“říká Hong. "Jedna struktura nestačí. Potřebujete dvě, abyste zjistili, jak se může transportér ve skutečnosti otevřít na obě strany membrány, protože má pumpovat ligand nebo antibiotickou sloučeninu zevnitř bakterií ven z bakterií."
Předpokládá se, že kanál EmrE přenáší mnoho různých toxických sloučenin, takže Hong a její kolegové nyní plánují studovat, jak kanálem cestují jiné molekuly.
Výzkum byl financován National Institutes of He alth a MIT School of Science Camplan Fund.
