Hvordan superbugs bruger spejlbilleder til at skabe antibiotikaresistens

Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) er en bakteriel infektion, der er blevet resistent over for de fleste af de antibiotika, der bruges til at behandle almindelige staph-infektioner. Duke University datalog Bruce Donald og samarbejdspartnere ved University of Connecticut arbejder på at udvikle nye enzymhæmmere til at bekæmpe MRSA. I forskning offentliggjort i PLOS Computational Biology , opdagede holdet, hvordan en enkelt lille mutation gør en stor forskel i lægemiddeleffektiviteten.

De undersøgte dihydrofolatreduktase (DHFR), et enzym, som antibiotika er målrettet mod at bekæmpe MRSA. Lægemidler, der hæmmer DHFR, virker lidt ligesom låse og nøgler; de binder sig til enzymer i MRSA, som har en specifik tredimensionel struktur, der kun tillader molekyler, der passer præcist, at binde sig til dem.

En mutation kan ændre strukturen af ​​et bakterielt enzym og få lægemidler til at miste effektiviteten. F98Y-mutationen er en velkendt resistensmutation. En lille ændring i den 98. aminosyre i DHFR-enzymet ændrer en phenylalanin til en tyrosin. "De to aminosyrer er strukturelt ens," sagde Graham Holt, kandidatstuderende i Donald-laboratoriet, "men mutationen har en enorm effekt på inhibitorernes effektivitet." I det væsentlige ændrer det låsen.

Pablo Gainza, Ph.D., tidligere kandidatstuderende i Donald-laboratoriet, mente, at han burde være i stand til at forudsige denne mutation ved hjælp af OSPREY, en suite af programmer til beregningsstruktur-baseret proteindesign udviklet i Donald-laben. Men det kunne han ikke. Efter at have slået hypotese ned efter hypotese for at finde ud af, hvorfor han ikke var i stand til at forudsige denne mutation, gik han tilbage for at undersøge startstrukturen.

"Vi kiggede på elektrondensitetsdataene fra krystallografen og fandt noget mærkeligt," sagde Donald. I forsøget på at bestemme strukturen af ​​F98Y-mutanten brugte krystallografer et computerprogram, der - uden at de vidste - vendte chiraliteten eller lavede et spejlbillede af NADPH-kofaktoren for at få en bedre tilpasning. De "vendte" kemiske arter, de opdagede gennem deres analyse, eksisterer under eksperimentelle forhold i laboratoriet og sandsynligt in vivo.

"Ved at bruge OSPREY opdagede vi denne vendte chiralitet," sagde Donald, "som vi tror skete på grund af F98Y-mutationen." Som i 2-faktor autentificering ser den enkelte enzymmutation og den vendte cofaktor ud til at konspirere sammen for at undgå inhibitoren.

Denne "kirale undvigelse" ændrer det strukturelle grundlag for modstand. Men nu ved Anders og kolleger ikke kun, hvordan en enkelt lille mutation ændrede låsen, men også den struktur, de skal bruge for at lave en bedre nøgle - en bedre lægemiddelhæmmer.

"Dette er det første eksempel på et enzym, der udnytter chiraliteten af ​​dets cofaktor for at undgå dets inhibitorer," sagde Holt. "Nu hvor vi ser dette ske, vil det hjælpe med at informere om beregningsstrategier for at udvikle bedre inhibitorer."

Donald-laboratoriet viste, at ved at tage vendt chiralitet i betragtning, matcher OSPREYs forudsigelser nøje eksperimentelle målinger af inhibitorstyrke. De arbejdede med samarbejdspartnere ved University of Connecticut, som udførte biokemiske eksperimenter for at teste teorien og give strukturelle beviser.

"Dette er kun begyndelsen på historien," sagde Donald. "Vores opdagelse af chiral unddragelse burde føre til mere modstandsdygtige hæmmere:bedre lægemiddeldesign." Lige nu er det meste lægemiddeldesign reaktivt og venter på, at der opstår resistens, hvilket det altid gør. "Vi håber at gøre lægemiddeldesign proaktivt ved at bruge vores algoritmer til at forudse resistens," sagde Donald.