Elk jaar in de VS, minstens 23, 000 mensen sterven aan infecties veroorzaakt door antibioticaresistente bacteriën, volgens de Centers for Disease Control and Prevention.

Met behulp van computermodellering, onderzoekers van Sandia National Laboratories en de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign helpen de middelen te ontwikkelen om sommige van die sterfgevallen te voorkomen.

Een manier waarop bacteriën resistentie ontwikkelen tegen veel verschillende antibiotica is door pompen te produceren die onbekende kleine moleculen uitspugen, zoals antibiotica, voordat ze schade kunnen aanrichten. De onderzoekers plaagden de details van hoe een antibioticapomp werkt.

Het uiteindelijke doel is om nieuwe medicijnen te ontwikkelen om de pomp te stoppen, zodat deze geen antibiotica kan uitspugen, misschien hun effectiviteit herstellen, zei Susan Rempe, Sandia computationele biofysicus. Ze voegde eraan toe, "Nu we de structuur van de pomp hebben en weten hoe hij werkt, wetenschappers kunnen een molecuul ontwerpen dat stevig aan de transporter kleeft. Ik denk dat dat op korte termijn haalbaar is, misschien vijf jaar."

Dit onderzoek is onlangs gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Gegevens verfijnen om de gedetailleerde structuur van de pomp te bepalen

De specifieke pomponderzoekers bestudeerden, genaamd EmrE, komt van E coli , veel voorkomende bacteriën die af en toe voedselvergiftiging veroorzaken. De pomp herkent en verwijdert matig olieachtige, positief geladen kleine moleculen, zei Josh Vermaas, een voormalige afgestudeerde student uit Illinois wiens werk met Rempe werd ondersteund door Sandia's Campus Executive Program. Veel voorkomende antibiotica, waaronder streptomycine, doxycycline en chlooramfenicol zijn olieachtig en positief geladen.

Hun eerste stap was het bepalen van een gedetailleerde structuur van de pomp. De startstructuur van de pomp was erg ruw, missen veel van de essentiële chemische details, en misvormd, zei Vermaas. Rempe voegde toe dat het bijzonder uitdagend kan zijn om goede structurele gegevens te krijgen van drugstransporters zoals EmrE, omdat ze flexibel zijn. Stel je voor dat je een foto moet maken van een kronkelende peuter met een trage camera:de resulterende foto is meer een waas dan een exacte gelijkenis.

Ze combineerden experimentele gegevens van verschillende gangbare biofysische methoden zoals röntgenkristallografie, cryo-elektronenmicroscopie en elektronenparamagnetische resonantiespectroscopie, evenals tientallen jaren kennis van de meest waarschijnlijke interne rangschikkingen van aminozuren, de bouwstenen van eiwitten, om een ​​structuur met hoge resolutie van de pomp te produceren.

"De grote doorbraak was hoe we slechte structurele gegevens uit experimenten konden nemen en deze konden masseren om met een verbeterde structuur te komen waarmee we konden werken om het mechanisme van de pomp te begrijpen, ' zei Rempe.

Moleculaire modellering onthult pomp "slot" en mechanisme

Toen ze eenmaal de gedetailleerde structuur van de pomp hadden, het echte werk begon.

Eerst, het team voegde een lipidemembraan toe om de echte omgeving van de pomp te modelleren. Vervolgens, ze hebben computersimulaties uitgevoerd om te zien hoe de pomp eruitziet met nul, een of twee protonen. Het binnenlaten van twee protonen is de batterij die deze pomp van stroom voorziet. Ze voerden simulaties uit om de overgang te zien van het eiwit dat naar de binnenkant van de bacterie is gericht naar buiten om de "gemakkelijkste" weg te vinden en zo te zien hoe de pomp werkt. Het modelleren van deze "flip" kostte meer dan 80, 000 uur computerverwerking.

Ze voerden ook simulaties uit om te zien hoe de pomp eruitziet met een voorbeeldmedicijn in de medicijnbindende zak. Rempe zei dat ze veel flexibiliteit vonden in de zak waar antibiotica zich zouden binden, wat logisch is, aangezien de pomp een grote verscheidenheid aan medicijnen kan herkennen. Ze identificeerden ook een paar cruciale aminozuren die als een vergrendeling dienen om ervoor te zorgen dat de pomp de protonen niet willekeurig loslaat.

"Antibioticaresistentie is een belangrijk probleem. Het 'slot' op de pomp is wat deze transporter doet tikken. Met deze kennis, in de toekomst kunnen we nieuwe antibiotica ontwikkelen die niet worden weggepompt of anderszins het slot in EmrE doorbreken, "zei Vermaas. "Als we erachter komen hoe we de pomp kunnen breken, zodat hij niet gereguleerd is en protonen lekt, dat zou een nieuwe manier zijn om bacteriën te doden."

Aanvullend onderzoek naar het tegengaan van antimicrobiële resistentie

Naast haar werk aan antibioticapompen, Rempe heeft ook een eiwit gemodelleerd dat miltvuurtoxines naar gastheercellen transporteert, waar ze grote schade aanrichten, waardoor de Bacillus anthracis-bacteriën kunnen gedijen en miltvuur veroorzaken. Rempe en haar medewerkers, waaronder Sandia postdoc Mangesh Chaudhari, bepaalden de moleculaire mechanismen van hoe deze toxines hun weg vinden naar de gastheercel en ontwikkelden een plug om dit proces te blokkeren. Sandia-bio-ingenieur Anson Hatch leidde een team dat de stekker maakte en testte.

In een driejarig project gefinancierd door Sandia's Laboratory Directed Research &Development (LDRD) programma, Rempe leidt ook studies naar een nieuw antimicrobieel middel, teixobactine genaamd. Teixobactine blokkeert de aanmaak van de bacteriële celwand op een unieke manier waar bacteriën moeilijk resistentie tegen kunnen ontwikkelen. Zij en haar medewerkers uit Sandia en Illinois gebruiken computersimulaties en experimenten om te begrijpen hoe het antimicrobiële middel werkt om het krachtiger en breder werkend te maken. Ze publiceerden hun eerste bevindingen in Chemische Wetenschappen , het onthult twee manieren waarop het medicijn zich hecht aan gespecialiseerde vetmoleculen in bacteriële membranen. De binding belemmert de opbouw van de beschermende celwanden van bacteriën.

Hoewel het een uitdaging is voor grampositieve bacteriën, zoals Staphylococcus aureus, om te veranderen hoe ze hun celwand maken om resistentie tegen teixobactine te ontwikkelen, het antimicrobiële middel kan nog steeds uit bacteriën worden gepompt voordat het zijn schade aanricht, het onderzoek van Rempe en Vermaas om het mechanisme van antibioticapompen relevant te maken.

Rempe zei, "Moleculaire dynamische modellering heeft een zeer hoge resolutie in ruimte en tijd, die je niet krijgt van andere experimenten. We kunnen de dynamiek in de tijd zien in stappen van een miljoenste van een miljardste van een seconde. We kunnen ook stukjes en beetjes van een proces zien dat niet is opgelost in experimenten en bepalen welke chemische structuren bijdragen aan het betrokken werk. Dit geeft ons een voordeel bij het leren hoe ziekteverwekkers werken, en die informatie kan leiden tot nieuwe therapieën om die ziekteverwekkers tegen te gaan."