Strukturen af ​​en bakteriel lægemiddelpumpe afslører en ny måde at modvirke hospitalsbåren infektion på

Ved at afsløre strukturen af ​​et protein, der bruges af bakterier til at pumpe antibiotika ud, har et forskerhold designet et tidligt terapeutisk middel, der saboterer pumpen og genopretter effektiviteten af ​​antibiotika.

Ledet af forskere fra New York University, NYU Grossman School of Medicine og NYU Langones Laura og Isaac Perlmutter Cancer Center brugte den nye undersøgelse avanceret mikroskopi til for første gang at "se" strukturen af ​​NorA, et protein, som bakteriearten Staphylococcus aureus bruger til at pumpe udbredte antibiotika, før de kan dræbe dem.

Effluxpumper repræsenterer en mekanisme, hvorved S. aureus har udviklet resistens over for fluoroquinoloner, en gruppe på mere end 60 godkendte antibiotika, der omfatter norfloxacin (Noroxin), levofloxacin (Levaquin) og ciprofloxacin (Cipro). Fluoroquinoloner er nu ineffektive mod nogle lægemiddelresistente bakteriestammer, herunder methicillin-resistens S. aureus (MRSA), en væsentlig dødsårsag blandt indlagte patienter, når infektioner bliver alvorlige, siger forskerne. Af denne grund har feltet søgt at designe effluxpumpehæmmere, men tidlige forsøg er blevet hindret af bivirkninger.

"I stedet for at forsøge at finde et nyt antibiotikum, håber vi at gøre de mest udbredte antibiotika i løbet af de sidste par årtier, gjort ineffektive af bakteriel resistens, meget effektive igen," siger første studieforfatter Doug Brawley, Ph.D. Han afsluttede sin doktorafhandling i laboratorierne hos seniorforfatterne Nate Traaseth, Ph.D., professor ved Institut for Kemi ved New York University, og Da-Neng Wang, Ph.D., professor ved Institut for Cellebiologi på NYU Grossman School of Medicine.

Antistoffer mod redning

Udgivet online 31. marts i tidsskriftet Nature Chemical Biology , bygger undersøgelsen på fremskridt inden for antistofteknologisk udvikling i de seneste år. Indtrængende bakterier udløser kroppens immunsystem til at danne mange lidt forskellige antistoffer, proteiner formet til at binde sig til og neutralisere specifikke angribere.

Til det aktuelle studie brugte forskerholdet antistoffer til at overvinde en udfordring, der havde forhindret strukturen af ​​NorA i at blive analyseret. Brawley arbejdede i årevis for at finjustere de ekspressions- og oprensningsbetingelser, der var nødvendige for denne analyse, men NorA-molekylet er kompakt og knapt påviselig selv med avanceret kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM).

Som en løsning screenede forskerne en stor samling syntetiske antistoffer - samlet af laboratoriet af seniorstudieforfatter Shohei Koide, Ph.D., professor i Institut for Biokemi og Molekylær Farmakologi ved NYU Grossman School of Medicine - for at finde dem der knyttede sig tættest til NorA. Ved at binde antistofferne til NorA fordoblede holdet effektivt størrelsen af ​​molekylet, hvilket forbedrede cryo-EM-billederne og afslørede NorA-pumpens struktur for første gang.

Arbejdet afslørede også stedet, hvor holdets ledende antistof lagde til i NorA, som en nøgle i en lås. Holdet var overrasket over at opdage, at stedet, hvor dette antistof passede ind i NorA, var det samme sted, som NorA låses fast på og fjerner antibiotika. Disse observationer antydede, at antistoffet kunne blokere pumpen, gøre det muligt for antibiotika at forblive inde i bakteriecellerne og forstyrre bakteriel vækst.

Ud fra cryo-EM-strukturen indså holdet også, at den del af antistoffet, der var dybt indlejret i NorA's bindingshulrum, var et kort, looping peptid, et segment af proteinbyggesten. "Vi blev spændte på, at et isoleret peptid svarende til løkken i sig selv kunne hæmme NorA," siger Traaseth. Holdet fandt ud af, at dette peptid (kaldet NPI-1) fungerede som en effluxpumpehæmmer (EPI) og reducerede antibiotika-resistente S. aureus-vækst i retter med næringsstoffer (kulturer) med mere end 95 procent i høje koncentrationer, når det kombineres med antibiotikumet norfloxacin.

Strukturanalysen viste også, at EPI havde mange interaktioner med proteinbyggesten i den strukturelle lomme, hvor NorA binder sig til antibiotiske molekyler. "Dette gør det højst usandsynligt, at bakterier kan udvikle resistens over for en sådan behandling, fordi de ville være nødt til at udvikle sig tilfældigt for på en eller anden måde at besejre EPI uden at fjerne evnen fra effluxpumpestedet til at få fat i antibiotika," siger Wang.

Fremadrettet arbejder teamet på at forbedre designet af deres EPI. Hver rest af NPI-1 kan optimeres for større styrke og for at reducere enhver potentiel bivirkning, siger forfatterne. Deres strategi for at udvikle syntetiske antistoffer mod NorA-lignende effluxpumper kan hjælpe med at opdage EPI'er mod andre patogener, der vides at være afhængige af pumper, som omfatter Streptococcus pneumonia og Mycobacterium tuberculosis.

"Opdagelsen af ​​denne nye måde at hæmme MRSA på viser, at fem laboratorier fra fire afdelinger - med komplementær ekspertise inden for strukturel biologi, proteinteknologi, peptidkemi og mikrobiologi - kan samarbejde om at opnå, hvad ingen kunne alene," tilføjer Koide. + Udforsk yderligere

En ny strategi til brug af forbindelser som 'anti-evolution'-lægemidler til at bekæmpe antibiotikaresistens