Brug af neutroner til at studere, hvordan resistente bakterier udvikler sig

Opdagelsen af ​​penicillin for næsten 90 år siden indledte en tidsalder for moderne antibiotika, men væksten af ​​antibiotikaresistens betyder, at bakterielle infektioner som lungebetændelse og tuberkulose bliver sværere at behandle.

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory udfører en række eksperimenter ved ORNL's Spallation Neutron Source for at give mening om dette fænomen. Ved at bruge MaNDi-instrumentet, SNS beamline 11B, de håber på bedre at forstå, hvordan bakterier, der indeholder enzymer kaldet beta-lactamaser, modstår beta-lactam-klassen af ​​antibiotika. Ethvert antibiotikum, der indeholder en beta-lactamring, der består af organiske forbindelser, falder ind under denne kategori.

"Vi leder efter svar på et grundlæggende videnskabeligt niveau, " sagde MaNDi instrument videnskabsmand Leighton Coates. "Vi har maskineriet til at udforske disse interaktioner ved hjælp af neutroner."

Med neutroner, holdet kan på egen hånd observere, hvordan beta-lactamaser nedbryder lægemiddelforbindelser uden at beskadige de biologiske prøver. Enhver indsigt fra denne proces kan hjælpe videnskabsmænd og læger med at opdage og afbøde antibiotikaresistens i fremtiden.

Beta-lactam antibiotika interfererer med penicillin-bindende proteiner, som bygger mekanismer, der er ansvarlige for at konstruere bakterielle cellevægge. Ved at forstyrre denne proces, antibiotika ødelægger invaderende bakterier og afværger dødelige infektioner.

Som svar, bakterier har udviklet sig til at modvirke antibiotika på forskellige måder, men at producere beta-lactamaser er fortsat deres mest almindelige og effektive taktik. Disse enzymer tjener som naturlige katalysatorer, bryde beta-lactam-ringene op i antibiotika for at deaktivere deres antibakterielle egenskaber.

Beta-lactam antibiotika er almindeligt ordineret på grund af deres høje specificitet og lave toksicitet. Imidlertid, efterhånden som antallet af antibiotika stiger, det samme gør antallet af resistente bakteriestammer. Under disse omstændigheder, selv almindelige luftvejs- og blodbaneinfektioner kan blive farlige.

Patienter med eksisterende helbredsproblemer er mere tilbøjelige til at pådrage sig bakterielle infektioner og støde på resistente bakterier, men menneskelig adfærd kan også bidrage til antibiotikaresistens hos raske individer, som når folk tager unødvendige eller udløbne stoffer.

Da farerne ved bakteriel resistens fortsætter med at manifestere sig i fremkomsten af ​​uhelbredelige "superbugs" og genfremkomsten af ​​forskellige infektionssygdomme, som engang troede under kontrol, hvis de ikke blev udryddet, forskere er i stigende grad fast besluttet på at undersøge de medvirkende faktorer.

"Vi studerer ikke kun, hvordan disse antibiotika nedbrydes, men også hvordan bakterierne udvikler sig til at modstå dem, " sagde Coates.

Forskerne observerer denne proces ved hjælp af kapaciteter hos MaNDi.

"Det store detektorarray på MaNDi, kombineret med dens høje opløsning, gør det muligt for os at indsamle data i løbet af en dag eller to, der henviser til, at det på et andet instrument ville tage meget længere tid, " forklarede Coates.

Sådan information kan hjælpe læger og medicinalvirksomheder med at tackle en af ​​de mest betydningsfulde og vidtrækkende trusler mod folkesundheden i verden i dag. Centers for Disease Control and Prevention anslår, at antibiotikaresistens påvirker omkring 2 millioner mennesker hvert år alene i USA.

At bryde cyklussen

Forskere udvikler nye lægemidler, der er afhængige af stoffer kaldet inhibitorer til at blokere beta-lactamaser, men disse metoder er ikke ufejlbarlige.

Bakterier har flygtige levetider, der tillader naturlig udvælgelse at finde sted i et hurtigt tempo. Som resultat, beta-lactamaser kan tilpasse sig til at angribe et nyt antibiotikum kort efter, at medicinen er udviklet, testet, og introduceret. Medicinske forskere søger at stoppe, eller i det mindste langsomt, denne konstante cyklus af modstand.

"Når der introduceres et nyt lægemiddel, som beta-lactamaserne ikke kan nedbryde, bakterier muterer hurtigt og skaber nye enzymer, som derefter vil angribe antibiotika, " sagde Patricia Langan, en postdoc ved SNS. "Det er en konstant kamp at være foran dem."

Til dato, holdet har undersøgt, hvordan beta-lactamaser nedbryder antibiotika som aztreonam, penicillin, og cefotaxim.

"Vi går mere i dybden med præcis, hvad der sker på et kemisk niveau, og forhåbentlig, vores forskning vil hjælpe med fremtidig inhibitordesign og lægemiddeludvikling, " sagde Langan.

Deres vigtigste opdagelse fra dette arbejde involverer at afmystificere den katalytiske mekanisme i beta-lactamaser. De undersøgte flere vigtige aminosyrer, der hjælper med at nedbryde beta-lactam-antibiotika og identificerede deres roller i denne biokemiske reaktion. Ved at studere protonoverførsler inden for disse aminosyrer, forskerne kan afdække beta-lactamasernes indre funktion.

"Vi finder alle mulige nuancer, " sagde Coates. "Ved at bruge neutroner, vi kan beregne protonationstilstanden for disse vigtige aminosyrer, og derfra kan vi udlede, hvad der foregår i den katalytiske mekanisme."