Kredit:CC0 Public Domain
Genom att avslöja strukturen hos ett protein som används av bakterier för att pumpa ut antibiotika, designade ett forskarteam ett terapeutiskt medel i ett tidigt skede som saboterar pumpen och återställer effektiviteten hos antibiotika.
Ledd av forskare från New York University, NYU Grossman School of Medicine och NYU Langones Laura och Isaac Perlmutter Cancer Center, använde den nya studien avancerad mikroskopi för att för första gången "se" strukturen av NorA, ett protein som bakteriearten Staphylococcus aureus använder för att pumpa ut mycket använda antibiotika innan de kan döda dem.
Effluxpumpar representerar en mekanism genom vilken S. aureus har utvecklat resistens mot fluorokinoloner, en grupp av mer än 60 godkända antibiotika som inkluderar norfloxacin (Noroxin), levofloxacin (Levaquin) och ciprofloxacin (Cipro). Fluorokinoloner är nu ineffektiva mot vissa läkemedelsresistenta bakteriestammar, inklusive meticillin-resistens S. aureus (MRSA), en viktig dödsorsak bland inlagda patienter när infektioner blir allvarliga, säger forskarna. Av denna anledning har fältet försökt designa utflödespumpshämmare, men tidiga försök har hindrats av biverkningar.
"Istället för att försöka hitta ett nytt antibiotikum hoppas vi kunna göra de mest använda antibiotika under de senaste decennierna, som gjorts ineffektiva av bakteriell resistens, mycket effektiva igen", säger första studieförfattaren Doug Brawley, Ph.D. Han avslutade sin doktorsavhandling i laboratorierna hos seniorförfattarna Nate Traaseth, Ph.D., professor vid avdelningen för kemi vid New York University, och Da-Neng Wang, Ph.D., professor vid avdelningen för cellbiologi vid NYU Grossman School of Medicine.
Antikroppar mot räddningen
Publicerad online 31 mars i tidskriften Nature Chemical Biology , bygger studien på framsteg inom antikroppsteknologiutveckling under de senaste åren. Invaderande bakterier sätter igång kroppens immunsystem att göra många lite olika antikroppar, proteiner formade för att fästa vid och neutralisera specifika inkräktare.
För den aktuella studien använde forskargruppen antikroppar för att övervinna en utmaning som hade hindrat strukturen hos NorA från att analyseras. Brawley arbetade i flera år för att finjustera uttrycks- och reningsförhållandena som behövdes för denna analys, men NorA-molekylen är kompakt och knappt detekterbar även med avancerad kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM).
Som en lösning screenade forskarna en stor samling syntetiska antikroppar – sammansatta av labbet av senior studieförfattaren Shohei Koide, Ph.D., professor vid institutionen för biokemi och molekylär farmakologi vid NYU Grossman School of Medicine – för att hitta de. som fäste sig mest vid NorA. Genom att fästa antikropparna till NorA fördubblade teamet effektivt molekylens storlek, vilket förbättrade kryo-EM-bilderna och avslöjade NorA-pumpens struktur för första gången.
Arbetet avslöjade också platsen där lagets ledande antikropp dockade i NorA, som en nyckel i ett lås. Teamet blev förvånade över att finna att platsen där denna antikropp passade in i NorA var samma plats som NorA fäster vid och tar bort antibiotika. Dessa observationer antydde att antikroppen kunde blockera pumpen, göra det möjligt för antibiotika att stanna kvar inuti bakterieceller och störa bakterietillväxt.
Från cryo-EM-strukturen insåg teamet också att den del av antikroppen som var djupast inbäddad i NorAs bindningshålighet var en kort, looping peptid, ett segment av proteinbyggstenar. "Vi blev glada över att en isolerad peptid som motsvarar slingan i sig själv kan hämma NorA", säger Traaseth. Teamet fann att denna peptid (kallad NPI-1) fungerade som en utflödespumpshämmare (EPI) och minskade antibiotikaresistent S. aureus tillväxt i rätter med näringsämnen (kulturer) med mer än 95 procent i höga koncentrationer i kombination med antibiotikan norfloxacin.
Strukturanalysen visade också att EPI hade många interaktioner med proteinbyggstenar i den strukturella fickan där NorA fäster på antibiotikamolekyler. "Detta gör det högst osannolikt att bakterier kan utveckla resistens mot en sådan behandling, eftersom de skulle behöva utvecklas slumpmässigt för att på något sätt besegra EPI utan att ta bort förmågan från utflödespumpstället att ta antibiotika", säger Wang.
Framöver arbetar teamet med att förbättra designen av deras EPI. Varje rest av NPI-1 kan optimeras för större styrka och för att minska eventuella biverkningar, säger författarna. Deras strategi för att utveckla syntetiska antikroppar mot NorA-liknande effluxpumpar kan hjälpa till att upptäcka EPI mot andra patogener som är kända för att vara beroende av pumpar, som inkluderar Streptococcus pneumonia och Mycobacterium tuberculosis.
"Upptäckten av detta nya sätt att hämma MRSA visar att fem labb från fyra avdelningar - med kompletterande expertis inom strukturbiologi, proteinteknik, peptidkemi och mikrobiologi - kan samarbeta för att åstadkomma vad ingen kunde ensam", tillägger Koide. + Utforska vidare
