Varje år i USA, minst 23, 000 människor dör av infektioner orsakade av antibiotikaresistenta bakterier, enligt Centers for Disease Control and Prevention.

Med hjälp av datormodellering, forskare från Sandia National Laboratories och University of Illinois i Urbana-Champaign hjälper till att utveckla medel för att förhindra några av dessa dödsfall.

Ett sätt som bakterier utvecklar resistens mot många olika antibiotika är genom att producera pumpar som spottar ut okända små molekyler, som antibiotika, innan de kan göra någon skada. Forskarna retade ut detaljerna om hur en antibiotikapump fungerar.

Det slutliga målet är att utveckla nya läkemedel för att plugga in pumpen så att den inte kan spotta ut antibiotika, kanske återställa deras effektivitet, sa Susan Rempe, Sandia computational biofysiker. Tillade hon, "Nu när vi har pumpens struktur och vet hur den fungerar, forskare kan designa en molekyl som håller fast vid transportören. Jag tror att det går att göra på kort sikt, kanske fem år. "

Denna forskning publicerades nyligen i Förfaranden från National Academy of Sciences .

Förfina data för att bestämma pumpens detaljerade struktur

De specifika pumpforskarna studerade, kallade EmrE, kommer från E coli , vanliga bakterier som ibland orsakar matförgiftning. Pumpen känner igen och tar bort måttligt fet, positivt laddade små molekyler, sa Josh Vermaas, en före detta doktorand i Illinois vars arbete med Rempe fick stöd genom Sandias Campus Executive Program. Många vanliga antibiotika inklusive streptomycin, doxycyklin och kloramfenikol är oljiga och positivt laddade.

Deras första steg var att bestämma en detaljerad struktur för pumpen. Pumpens startstruktur var mycket grov, saknar mycket av de väsentliga kemiska detaljerna, och missformad, Sa Vermaas. Rempe tillade att det kan vara särskilt utmanande att få bra strukturella data från drogtransportörer som EmrE eftersom de är flexibla. Föreställ dig att du måste ta en bild av ett vridande barn med en trög kamera:det resulterande fotot är mer suddigt än en exakt likhet.

De kombinerade experimentella data från en mängd vanliga biofysiska metoder som röntgenkristallografi, kryo-elektronmikroskopi och elektronparamagnetisk resonansspektroskopi samt decennier av kunskap om de mest troliga interna arrangemangen av aminosyror, byggstenarna för proteiner, att producera en högupplöst struktur av pumpen.

"Det stora genombrottet var i hur vi kunde ta dåliga strukturella data från experiment och massera det för att få fram en förbättrad struktur som vi kunde arbeta med för att förstå pumpens mekanism, sa Rempe.

Molekylär modellering avslöjar pumpens "lås" och mekanism

När de väl hade pumpens detaljerade struktur, det verkliga arbetet började.

Först, laget lade till ett lipidmembran för att modellera pumpens verkliga miljö. Sedan, de körde datasimuleringar för att se hur pumpen ser ut med noll, en eller två protoner. Släpper in två protoner är batteriet som driver denna pump. De körde simuleringar för att se övergången från proteinet som vetter inuti bakterien till utsidan för att hitta den "enklaste" vägen och på så sätt se hur pumpen fungerar. Att modellera denna "flip" tog över 80, 000 timmar datorbehandling.

De körde också simuleringar för att se hur pumpen ser ut med ett exempelmedicin i den läkemedelsbindande fickan. Rempe sa att de fann mycket flexibilitet i fickan där antibiotika skulle binda, vilket är vettigt med tanke på att pumpen kan känna igen en mängd olika läkemedel. De identifierade också några få kritiska aminosyror som fungerar som ett lås för att se till att pumpen inte släpper protonerna.

"Antibiotikaresistens är ett viktigt problem." Låset "på pumpen är det som får denna transportör att ticka. Med denna kunskap, i framtiden kan vi utveckla nya antibiotika som inte pumpas ut eller på annat sätt bryter låset i EmrE, "sa Vermaas." Om vi ​​kommer på hur pumpen ska brytas så att den är oreglerad och läcker ut protoner, det skulle vara ett nytt sätt att döda bakterier. "

Ytterligare forskning om att motverka antimikrobiell resistens

Förutom hennes arbete med antibiotikapumpar, Rempe har också modellerat ett protein som transporterar mjältbrandstoxiner till värdceller där de orsakar förödelse, låter Bacillus anthracis -bakterierna frodas och orsaka mjältbrand. Rempe och hennes medarbetare, inklusive Sandia postdoc Mangesh Chaudhari, bestämde molekylära mekanismer för hur dessa toxiner tar sig in i värdcellen och utvecklade en plugg för att blockera denna process. Sandia bioingenjör Anson Hatch ledde ett team som tillverkade och testade kontakten.

I ett treårigt projekt finansierat av Sandia's Laboratory Directed Research &Development (LDRD) -program, Rempe leder också studier av ett nytt antimikrobiellt medel som kallas teixobaktin. Teixobactin blockerar produktionen av bakteriecellväggen på ett unikt sätt som det är svårt för bakterier att utveckla resistens mot. Hon och hennes samarbetspartners från Sandia och Illinois använder datorsimuleringar och experiment för att förstå hur de antimikrobiella fungerar för att göra den mer potent och bredare. De publicerade sina första fynd i Kemisk vetenskap , avslöjar två sätt läkemedlet fäster sig till specialiserade fettmolekyler i bakteriemembran. Bindningen hindrar byggandet av de skyddande cellväggarna hos bakterier.

Även om det är utmanande för grampositiva bakterier, såsom Staphylococcus aureus, att ändra hur de får sin cellvägg att utveckla resistens mot teixobaktin, det antimikrobiella kan fortfarande pumpas ut från bakterier innan det gör sin skada, gör Rempe och Vermaas forskning för att förstå mekanismen för antibiotikapumpar relevant.

Rempe sa, "Molekylär dynamik modellering har mycket hög upplösning i rum och tid, som du inte får från andra experiment. Vi kan se dynamiken över tiden i steg om en miljonedel av en miljarddel av en sekund. Vi kan också se bitar av en process som inte löses i experiment och avgöra vilka kemiska strukturer som bidrar till arbetet. Detta ger oss en fördel när vi lär oss hur patogener fungerar, och den informationen kan leda till nya terapier för att motverka dessa patogener. "