Methicilline-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) is een bacteriële infectie die resistent is geworden tegen de meeste antibiotica die worden gebruikt om reguliere stafylokokbesmettingen te behandelen. Duke University computerwetenschapper Bruce Donald en medewerkers van de University of Connecticut werken aan de ontwikkeling van nieuwe enzymremmers om MRSA te bestrijden. In onderzoek gepubliceerd in PLOS Computational Biology , ontdekte het team hoe een enkele kleine mutatie een groot verschil maakt in de werkzaamheid van geneesmiddelen.

Ze onderzochten dihydrofolaatreductase (DHFR), een enzym dat antibiotica gebruiken om MRSA te bestrijden. Geneesmiddelen die DHFR remmen, werken een beetje zoals sloten en sleutels; ze binden aan enzymen in MRSA, die een specifieke driedimensionale structuur hebben waardoor alleen moleculen die precies passen zich eraan kunnen hechten.

Een mutatie kan de structuur van een bacterieel enzym veranderen en ervoor zorgen dat medicijnen hun effectiviteit verliezen. De F98Y-mutatie is een bekende resistentiemutatie. Een kleine verandering in het 98e aminozuur in het DHFR-enzym verandert een fenylalanine in een tyrosine. "Die twee aminozuren lijken qua structuur op elkaar", zegt Graham Holt, afgestudeerde student in het Donald-lab, "maar de mutatie heeft een enorm effect op de werkzaamheid van de remmers." In wezen verandert het het slot.

Pablo Gainza, Ph.D., voormalig afgestudeerde student in het Donald-lab, dacht dat hij deze mutatie zou moeten kunnen voorspellen met behulp van OSPREY, een reeks programma's voor op computerstructuren gebaseerd eiwitontwerp ontwikkeld in het Donald-lab. Maar dat kon hij niet. Nadat hij hypothese na hypothese had verworpen om erachter te komen waarom hij deze mutatie niet kon voorspellen, ging hij terug om de startstructuur te onderzoeken.

"We keken naar de elektronendichtheidsgegevens van de kristallograaf en vonden iets vreemds," zei Donald. Bij het proberen de structuur van de F98Y-mutant te bepalen, gebruikten kristallografen een computerprogramma dat - buiten het medeweten van hen - de chiraliteit omdraaide, of een spiegelbeeld maakte, van de NADPH-cofactor om een ​​betere pasvorm te krijgen. De "omgedraaide" chemische soort die ze tijdens hun analyse ontdekten, bestaat in experimentele omstandigheden in het laboratorium en aannemelijk in vivo.

"Met behulp van OSPREY ontdekten we deze omgedraaide chiraliteit," zei Donald, "waarvan we denken dat dit gebeurde vanwege de F98Y-mutatie." Net als bij 2-factorauthenticatie lijken de enkele enzymmutatie en de omgedraaide cofactor samen te spannen om de remmer te ontwijken.

Deze "chirale ontduiking" verandert de structurele basis voor weerstand. Maar nu weten Donald en collega's niet alleen hoe een enkele kleine mutatie het slot heeft veranderd, maar ook de structuur die ze nodig hebben om een ​​betere sleutel te maken - een betere medicijnremmer.

"Dit is het eerste voorbeeld van een enzym dat de chiraliteit van zijn cofactor uitbuit om zijn remmers te ontwijken," zei Holt. "Nu we dit zien gebeuren, zal dat helpen bij het informeren van computationele strategieën om betere remmers te ontwikkelen."

Het Donald-lab toonde aan dat de voorspellingen van OSPREY, door rekening te houden met omgedraaide chiraliteit, nauw overeenkomen met experimentele metingen van de remmingskracht. Ze werkten samen met medewerkers van de Universiteit van Connecticut die biochemische experimenten uitvoerden om de theorie te testen en structureel bewijs te leveren.

'Dit is nog maar het begin van het verhaal,' zei Donald. "Onze ontdekking van chirale ontduiking zou moeten leiden tot veerkrachtiger remmers:betere medicijnontwerpen." Op dit moment is het meeste medicijnontwerp reactief, wachtend op het ontstaan ​​​​van resistentie, wat altijd het geval is. "We hopen het medicijnontwerp proactief te maken door onze algoritmen te gebruiken om op resistentie te anticiperen," zei Donald.