Теперь исследователи обнаружили структуру хорошо известной мишени для разработки антибиотиков, фермента под названием MraY, поскольку он связан с природным антибактериальным мурамицином. Результаты показывают, что фермент резко меняет свою форму, обнажая скрытый связывающий карман, с которым мураймицин соединяется, как двухконтактная вилка, вставляемая в розетку.
Исследование, опубликованное 18 апреля 2016 года в журнале Nature, предоставляет важную структурную информацию для разработки антибиотиков широкого спектра действия, нацеленных на фермент, необходимый для всех известных штаммов бактерий, включая те, которые вызывают туберкулез и MRSA.
«Природа разработала несколько способов подавления этого фермента, но исследователи не смогли воспроизвести их свойства в лаборатории», — сказал старший автор исследования Сок-Йонг Ли, доктор философии.D., доцент кафедры биохимии Медицинской школы Университета Дьюка. «Здесь мы предоставляем платформу для понимания того, как работают эти природные ингибиторы, со степенью молекулярной детализации, необходимой для ускорения разработки лекарств."
Многие из наиболее широко используемых антибиотиков были получены из веществ, созданных почвенными бактериями и грибами для отравления их микробных конкурентов.
Открытие этих натуральных продуктов побудило некоторых лидеров научного сообщества объявить о прекращении инфекционных заболеваний, но эти прогнозы оказались преждевременными, поскольку появились более устойчивые, устойчивые к лекарствам формы бактерий. Но вместо того, чтобы идти в ногу с потребностями, разработка антибиотиков в последние десятилетия застопорилась. Всемирная организация здравоохранения теперь предупреждает, что общество находится на пороге постантибиотической эры, когда миллионы людей могут умереть от ранее излечимых болезней.
Структурная биология дает проблеск надежды.
Ли считает, что, фиксируя взаимодействия между бактериями и их естественными убийцами, он может вдохновить на разработку новых и улучшенных лекарств. Например, пять различных природных антибиотиков нацелены на MraY, фермент, отвечающий за построение клеточной стенки для защиты бактерий от внешних атак.
Однако, не зная задействованных структур, исследователи не смогли разработать лекарства с такими же эффектами.
Почти три года назад Ли решил атомную структуру MraY. Открытие, опубликованное в журнале Science, стало первым важным шагом к пониманию того, как отключить бактериальный фермент.
В этом исследовании Ли сделал следующий шаг, визуализировав структуру MraY, когда он был заключен в объятия с природным антибиотиком мураймицином. Он использовал инструмент, известный как рентгеновская кристаллография, для создания трехмерного изображения этого комплекса на атомном уровне.
Когда Ли сравнил структуры MraY отдельно от структуры, связанной с мураймицином, он был удивлен, обнаружив, что они совершенно разные. Фермент существенно изменил свою форму, чтобы приспособиться к своему ингибитору.
«Это не та взаимосвязь, которую мы обычно наблюдаем между ферментами и их субстратами или ингибиторами», — сказал Ли. «Обычно мы думаем о модели замка и ключа, где есть четко определенная форма для ингибитора, которая соответствует соответствующей форме на поверхности фермента. Вместо этого мы обнаружили, что этот фермент претерпевает резкие конформационные изменения при связывании с этим ингибитором, открывая карман связывания, который раньше не был очевиден."
Ли использовал различные методы молекулярной биологии и биохимии, чтобы выяснить, какие взаимодействия важны для поддержания связи между MraY и его ингибитором. По сути, он обнаружил, что мураймицин подключается к когда-то скрытому карману, как двухконтактная вилка, вставляемая в защищенную от детей розетку. Далее Ли планирует повторить те же эксперименты с другими ингибиторами MraY.
«Многие ингибиторы натуральных продуктов связывают и ингибируют этот фермент по-другому, с помощью другого механизма», — сказал он. "Если мы поймем все возможные механизмы ингибирования этого фермента, то сможем применить эти знания при разработке лекарств, которые могут воздействовать на него с максимальной специфичностью."
Исследование было поддержано Национальным институтом здравоохранения (R01GM100894) и стартап-фондами Duke. Он также был поддержан Японским обществом содействия научным грантам для научных исследований в инновационных областях «Химическая биология природных продуктов» (24102502) и научных исследований (B) (25293026).