Upptäckten av penicillin för nästan 90 år sedan inledde den moderna antibiotikatiden, men tillväxten av antibiotikaresistens innebär att bakterieinfektioner som lunginflammation och tuberkulos blir svårare att behandla.

Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory genomför en serie experiment vid ORNL:s Spallation Neutron Source för att förstå detta fenomen. Med hjälp av MaNDi-instrumentet, SNS beamline 11B, de hoppas att bättre förstå hur bakterier som innehåller enzymer som kallas beta-laktamaser motstår beta-laktamklassen av antibiotika. Alla antibiotika som innehåller en beta-laktamring som består av organiska föreningar faller under denna kategori.

"Vi söker svar på en grundläggande vetenskaplig nivå, ", sade instrumentforskaren Leighton Coates vid ManDi. "Vi har maskineriet att utforska dessa interaktioner med hjälp av neutroner."

Med neutroner, teamet kan i första hand observera hur beta-laktamaser bryter ner läkemedelsföreningar utan att skada de biologiska proverna. Alla insikter från denna process kan hjälpa forskare och läkare att upptäcka och mildra antibiotikaresistens i framtiden.

Betalaktamantibiotika stör penicillinbindande proteiner, som bygger mekanismer som är ansvariga för att konstruera bakteriecellsväggar. Genom att störa denna process, antibiotika förstör invaderande bakterier och avvärjer dödliga infektioner.

Som svar, bakterier har utvecklats för att motverka antibiotika på olika sätt, men att producera beta-laktamaser är fortfarande deras vanligaste och mest effektiva taktik. Dessa enzymer fungerar som naturliga katalysatorer, bryta upp betalaktamringarna i antibiotika för att inaktivera deras antibakteriella egenskaper.

Beta-laktamantibiotika ordineras vanligtvis på grund av deras höga specificitet och låga toxicitet. Dock, när antalet antibiotika ökar, det gör också antalet resistenta bakteriestammar. Under dessa omständigheter, även vanliga luftvägs- och blodinfektioner kan bli farliga.

Patienter med befintliga hälsoproblem är mer benägna att drabbas av bakterieinfektioner och stöta på resistenta bakterier, men mänskligt beteende kan bidra till antibiotikaresistens även hos friska individer, som när människor tar onödiga eller utgångna droger.

När farorna med bakterieresistens fortsätter att manifestera sig i uppkomsten av obotliga "superbugs" och återuppkomsten av olika infektionssjukdomar som en gång var tänkta under kontroll om de inte utrotades, forskare är alltmer fast beslutna att undersöka de bidragande faktorerna.

"Vi studerar inte bara hur dessa antibiotika bryts ned, men också hur bakterierna utvecklas för att motstå dem, "Sa Coates.

Forskarna observerar denna process med hjälp av kapaciteter på MaNDi.

"Den stora detektoruppsättningen på MaNDi, tillsammans med dess höga upplösning, gör det möjligt för oss att samla in data under loppet av en dag eller två, På ett annat instrument skulle det ta mycket längre tid, " förklarade Coates.

Sådan information kan hjälpa läkare och läkemedelsföretag att hantera ett av de mest betydande och vidsträckta hoten mot folkhälsan i världen idag. Centers for Disease Control and Prevention uppskattar att antibiotikaresistens drabbar cirka 2 miljoner människor varje år bara i USA.

Bryter cirkeln

Forskare utvecklar nya läkemedel som är beroende av substanser som kallas inhibitorer för att blockera betalaktamaser, men dessa metoder är inte ofelbara.

Bakterier har flyktiga livslängder som gör att naturligt urval kan ske i snabb takt. Som ett resultat, beta-laktamaser kan anpassa sig till att attackera ett nytt antibiotikum kort efter att läkemedlet utvecklats, testat, och introducerade. Medicinska forskare försöker stoppa, eller åtminstone långsamt, denna konstanta cykel av motstånd.

"När ett nytt läkemedel introduceras som beta-laktamaserna inte kan bryta ner, bakterier muterar snabbt och skapar nya enzymer som sedan angriper antibiotikan, sa Patricia Langan, en postdoktor vid SNS. "Det är en ständig kamp att ligga före dem."

Hittills, teamet har studerat hur beta-laktamaser bryter ner antibiotika som aztreonam, penicillin, och cefotaxim.

"Vi går mer på djupet i exakt vad som händer på kemisk nivå, och förhoppningsvis, vår forskning kommer att hjälpa till med framtida inhibitordesign och läkemedelsutveckling, " sa Langan.

Deras viktigaste upptäckt från detta arbete involverar avmystifiering av den katalytiska mekanismen i beta-laktamaser. De studerade flera viktiga aminosyror som hjälper till att bryta ner beta-laktamantibiotika och identifierade deras roller i denna biokemiska reaktion. Genom att studera protonöverföringar inom dessa aminosyror, forskarna kan avslöja beta-laktamasernas inre funktioner.

"Vi hittar alla slags nyanser, " sa Coates. "Genom att använda neutroner, vi kan räkna ut protonationstillståndet för dessa viktiga aminosyror, och därifrån kan vi härleda vad som händer i den katalytiska mekanismen."