Meticillinresistent Staphylococcus aureus (MRSA) är en bakteriell infektion som har blivit resistent mot de flesta antibiotika som används för att behandla vanliga staph-infektioner. Duke Universitys datavetare Bruce Donald och medarbetare vid University of Connecticut arbetar med att utveckla nya enzymhämmare för att bekämpa MRSA. I forskning publicerad i PLOS Computational Biology , upptäckte teamet hur en enda liten mutation gör stor skillnad i läkemedelseffektivitet.

De undersökte dihydrofolatreduktas (DHFR), ett enzym som antibiotika riktar mot för att bekämpa MRSA. Läkemedel som hämmar DHFR fungerar lite som lås och nycklar; de binder till enzymer i MRSA, som har en specifik tredimensionell struktur som bara tillåter molekyler som passar exakt att fästa vid dem.

En mutation kan förändra strukturen hos ett bakteriellt enzym och göra att läkemedel tappar effektivitet. F98Y-mutationen är en välkänd resistensmutation. En liten förändring i den 98:e aminosyran i DHFR-enzymet ändrar en fenylalanin till en tyrosin. "Dessa två aminosyrorna är strukturellt lika," sa Graham Holt, doktorand i Donald-labbet, "men mutationen har en enorm effekt på hämmarnas effektivitet." I huvudsak ändrar det låset.

Pablo Gainza, Ph.D., tidigare doktorand i Donald-labbet, trodde att han borde kunna förutsäga denna mutation med OSPREY, en svit av program för beräkningsstrukturbaserad proteindesign som utvecklats i Donald-labbet. Men han kunde inte. Efter att ha slagit ner hypotes efter hypotes för att ta reda på varför han inte kunde förutsäga denna mutation, gick han tillbaka för att undersöka startstrukturen.

"Vi tittade på elektrondensitetsdata från kristallografen och hittade något konstigt," sa Donald. När de försökte bestämma strukturen för F98Y-mutanten använde kristallografer ett datorprogram som – utan att de visste det – vände om kiraliteten, eller gjorde en spegelbild, av NADPH-kofaktorn för att få en bättre passform. De "omvända" kemiska arterna som de upptäckte genom sin analys existerar under experimentella förhållanden i laboratoriet och troligen in vivo.

"Med OSPREY upptäckte vi denna vända kiralitet," sa Donald, "som vi tror hände på grund av F98Y-mutationen." Liksom vid 2-faktorsautentisering verkar den enstaka enzymmutationen och den omvända kofaktorn konspirera tillsammans för att undvika inhibitorn.

Denna "kirala undanflykt" förändrar den strukturella grunden för motstånd. Men nu vet Donald och kollegor inte bara hur en enda liten mutation ändrade låset, utan också strukturen de behöver för att göra en bättre nyckel – en bättre läkemedelshämmare.

"Detta är det första exemplet på ett enzym som utnyttjar kiraliteten hos sin kofaktor för att undvika dess inhibitorer," sa Holt. "Nu när vi ser detta hända kommer det att hjälpa till att informera om beräkningsstrategier för att utveckla bättre inhibitorer."

Donald-labbet visade att genom att ta hänsyn till omvänd chiralitet, matchar OSPREYs förutsägelser nära experimentella mätningar av hämmarstyrkan. De arbetade med medarbetare vid University of Connecticut som genomförde biokemiska experiment för att testa teorin och tillhandahålla strukturella bevis.

"Detta är bara början på historien," sa Donald. "Vår upptäckt av kiral evasion borde leda till mer motståndskraftiga hämmare:bättre läkemedelsdesign." Just nu är de flesta läkemedelsdesigner reaktiva och väntar på att resistens ska uppstå, vilket det alltid gör. "Vi hoppas kunna göra läkemedelsdesign proaktiv genom att använda våra algoritmer för att förutse resistens", sa Donald.