Nya superdatorsimuleringar har avslöjat rollen för transportproteiner som kallas effluxpumpar för att skapa läkemedelsresistens hos bakterier, forskning som kan leda till att läkemedlets effektivitet mot livshotande sjukdomar förbättras och effektiviteten hos avvecklade antibiotika återställs.

"Genom att förstå hur pumpen rör sig och dynamiskt beter sig, vi kan eventuellt hitta ett sätt att inaktivera pumpen - och antibiotika som inte har fungerat på länge kan vara användbara igen, "sa Los Alamos biofysiker Gnana Gnanakaran, som samarbetade med kollegor på laboratoriet och med experter på bakteriella effluxpumpar Helen Zgurskaya vid University of Oklahoma och Klaas Pos vid Goethe University i Frankfurt, Tyskland.

Vissa livshotande infektioner svarar inte på antibiotika eftersom utflödespumpar inuti en viss typ av infektiös mikrobe som kallas gramnegativa bakterier spolar ut antibiotika innan läkemedlen kan fungera. En typ av avloppspump, som tills nyligen bara hade studerats i delar, modellerades nyligen i sin helhet och simulerades med hjälp av superdatorer vid Los Alamos National Laboratory. Resultaten, publicerad 28 november i Vetenskapliga rapporter , erbjuda en bättre förståelse för rörelser och funktioner för utflödespumpar. Arbetet utnyttjar laboratoriets omfattande modellerings- och superdatorsimuleringsmöjligheter som utvecklats till stöd för dess nationella säkerhetsuppdrag.

För denna studie, forskarna fokuserade på effluxpumpar inuti bakterierna Pseudomonas aeruginosa , som kan orsaka allvarliga sjukdomar som lunginflammation och sepsis. I P. aeruginosa , den huvudsakliga pumptypen heter MexAB-OprM och består av tre proteiner:MexA, MexB och OprM.

"Det här är verkligen riktigt stort system - ungefär en och en halv miljon atomer, "sade laboratoriet teoretiska biolog Cesar A. López. MexAB-OprM-pumpen omfattar både inre och yttre membran som finns i gramnegativa bakterier och förbinder cellens inre och periplasma (facket mellan båda membranen) med cellens yttre. Den anslutningen skapar en väg för läkemedelsmolekyler att lämna cellen.

Laboratoriets superdatorer kunde utföra de första atomistiska simuleringarna av hela MexAB-OprM-pumpen inbäddad i ett dubbelmembransystem på en mikrosekundtidskala.

Forskarna använde sedan simuleringarna för att undersöka dynamiken i den monterade pumpen och för att förstå hur pumpens funktionalitet härrör från denna dynamik. Aminosyrainteraktionerna som stabiliserar komplexet mellan MexA och OprM korsvaliderades också oberoende med hjälp av en beräkningsteknik som kallas sekvens-kovariationsanalys av Laboratory teoretiska biolog Timothy Travers. Enligt Travers, "Detta är första gången en sådan sekvensbaserad teknik har använts för korskontroll av gränssnittet för ett proteinkomplex som byggts med hjälp av simuleringar och kryo-elektronmikroskopi."

Tillämpning av dessa beräkningstekniker på de många effluxpumpar som finns i olika gramnegativa patogener bör göra det möjligt för forskare att belysa om allmänna mekanismer delas mellan olika pumpar eller är pumpspecifika. Till exempel, kanske aminosyrainteraktionerna som stabiliserar pumpstrukturen kan riktas mot läkemedelsutvecklingsinsatser för att blockera pumpaggregat eller funktion, därigenom gör för närvarande avvecklade antibiotika effektiva igen.