Met behulp van ultraheldere röntgenflitsen, een team van onderzoekers heeft een potentieel doelwit voor nieuwe medicijnen tegen slaapziekte opgespoord:de wetenschappers hebben de gedetailleerde ruimtelijke structuur van een vitaal enzym van de ziekteverwekker gedecodeerd, de parasiet Trypanosoma brucei. Het resultaat biedt een mogelijke blauwdruk voor een medicijn dat specifiek dit enzym blokkeert en zo de parasiet doodt, als het team onder leiding van Christian Betzel van de Universiteit van Hamburg, Lars Redecke van de Universiteit van Lübeck en DESY, en Henry Chapman van DESY rapporteren in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Slaapziekte (Afrikaanse trypanosomiasis) is een tropische ziekte die wordt veroorzaakt door de parasiet Trypanosoma brucei, die wordt overgedragen door de beet van tseetseevliegen, die een groot deel van tropisch Afrika bewonen. In het lichaam, de parasiet vermenigvuldigt zich eerst onder de huid, in het bloed en in het lymfestelsel en migreert vervolgens naar het centrale zenuwstelsel. Indien onbehandeld, de ziekte is bijna altijd dodelijk. Dankzij intensieve beheersmaatregelen het aantal geregistreerde zaken is de afgelopen jaren sterk gedaald. Hoe dan ook, slaapziekte wordt nog steeds beschouwd als een van de belangrijkste tropische ziekten. Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie, meer dan 60 miljoen mensen op het platteland van Afrika bezuiden de Sahara lopen gevaar. Oorlog, verplaatsing en migratie kunnen de ziekte doen oplaaien.

In de zoektocht naar een mogelijk startpunt voor medicijnen tegen de ziekteverwekker, de onderzoekers hadden zich gericht op een centraal enzym van het eencellige organisme, inosine-5'-monofosfaatdehydrogenase (IMPDH). "Dit enzym behoort tot de centrale inventaris van elk organisme en is een interessant doelwit voor medicijnen omdat het de concentratie van twee vitale nucleotiden in de cel regelt:guanosinedifosfaat en guanosinetrifosfaat, " zegt Redecke. "De cel heeft deze nucleotiden nodig om energie te leveren en grotere structuren zoals het genoom te bouwen. Als u deze cyclus onderbreekt, de cel sterft."

Het enzym heeft een soort aan/uit-schakelaar die wordt geactiveerd door het koppelen van de eigen moleculen van de cel. Een veelbelovende aanpak is om deze omschakeling te blokkeren met een precies op maat gemaakte molecule. Om een ​​dergelijke remmer te construeren, de exacte ruimtelijke structuur van de schakelaar moet bekend zijn. Structuurbiologen kunnen de structuur van biomoleculen bepalen met behulp van röntgenstralen. Om dit te doen, ze groeien eerst kleine kristallen uit de biomoleculen, die vervolgens karakteristieke diffractiepatronen genereren wanneer ze worden belicht met röntgenstralen. Van deze patronen de atomaire structuur van het kristal en zijn bouwstenen, de biomoleculen, kan worden berekend.

Deze benadering wordt vaak gecompliceerd door de onhandelbaarheid van de meeste biomoleculen tegen het vormen van kristallen. En als zulke kristallen kunnen worden gekweekt, ze zijn meestal extreem gevoelig voor de hoogenergetische röntgenstralen en worden snel vernietigd. "Hoewel de structuren van talrijke IMP-dehydrogenasen al bekend zijn, er was geen succes bij het kweken van kristallen van de Trypanosoma brucei-versie van het enzym, " meldt Betzel, die ook onderzoeker is in de Cluster of Excellence CUI:Advanced Imaging of Matter aan de Universiteit van Hamburg en DESY.

Het team koos daarom voor een alternatieve route:de groep van co-auteur Michael Duszenko van de Universiteit van Tübingen bracht bepaalde insectencellen ertoe om biomoleculen erin te kristalliseren. Met behulp van deze zogenaamde in cellulokristallisatie, hetzelfde team had al een ander belangrijk enzym van de slaapziekteverwekker ontcijferd, cathepsine B, wat ook een potentieel medicijndoelwit is. Het bleek dat de veranderde insectencellen ook kristallen van het nu onderzochte dehydrogenase produceren. Deze kristallen vormen minuscule naalden van ongeveer 5 duizendsten van een millimeter (5 micrometer) dik en tot 70 micrometer lang, zodat ze uit de producerende cellen staken.

De in-cellulokristallen zijn zo klein dat zeer heldere röntgenstralen nodig zijn om ze te analyseren. Hoe groter een kristal is, hoe meer atomen erin röntgenstralen kunnen verstrooien, waardoor een beter diffractiepatroon ontstaat. De onderzoekers gebruikten daarom de LCLS-röntgenlaser van het SLAC National Accelerator Laboratory in de VS voor de analyse. "Röntgenlasers genereren extreem intense flitsen, " legt Chapman uit, die een hoofdwetenschapper is bij DESY in het Center for Free-Electron Laser Science CFEL en een van de woordvoerders van de Cluster of Excellence CUI:Advanced Imaging of Matter. "Hoewel de gevoelige kristallen onmiddellijk verdampen, ze genereren eerst een diffractiepatroon waaruit de structuur kan worden verkregen." De methode die hier wordt gebruikt om deze eigenschappen te exploiteren, seriële femtoseconde kristallografie genoemd, werd eerder ontwikkeld door veel van de onderzoekers die bij deze studie betrokken waren en werd in 2013 door het tijdschrift Science uitgeroepen tot een van de top tien van doorbraken van het jaar.

Het team registreerde de diffractiepatronen van meer dan 22, 000 microkristallen en kon de ruimtelijke structuur van het enzym berekenen met een nauwkeurigheid van 0,28 miljoenste van een millimeter (nanometer) - dit komt ongeveer overeen met de diameter van een aluminiumatoom. "Het resultaat laat niet alleen de exacte structuur van de enzymschakelaar zien, de Bateman-regio, maar ook welke moleculen van de cel de schakelaar activeren en hoe deze zogenaamde co-factoren binden aan de enzymschakelaar, " meldt Karol Nass die dit werk uitvoerde tijdens zijn doctoraatsstudies aan DESY. Hij werkt nu aan het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland en is, samen met Redecke, een hoofdauteur van de publicatie.

De schakelaar wordt bediend door de moleculen adenosinetrifosfaat (ATP) en guanosinemonofosfaat (GMP). "Het voordeel van onze methode is niet alleen dat we het enzym bij kamertemperatuur kunnen onderzoeken, waarop het enzym van nature werkt, maar ook dat tijdens de kristallisatie van cellulose de natuurlijke co-factoren aan het enzym binden, " zei Betzel. Volgens de onderzoeker, de gegevens kunnen nu een benadering bieden voor het remmen van de IMP-dehydrogenase van de parasiet. "Je zou kunnen denken aan het construeren van een soort sluiting die de bindingsplaatsen van beide co-factoren zou bedekken, bijvoorbeeld."

Echter, een resterende uitdaging is om de IMP-dehydrogenaseremmer zo specifiek te ontwerpen dat deze het enzym van de parasiet blokkeert, maar niet het menselijke enzym. Als dit lukt, de methode kan mogelijk worden uitgebreid naar andere pathogenen, legt Betzel uit. "Andere parasieten hebben een zeer vergelijkbare structuur, en het zou ook mogelijk kunnen zijn om die aan te vallen via het respectievelijke IMP-dehydrogenase. Het enzym is een zeer interessant doelwit voor medicijnen, bijvoorbeeld tegen de vossenlintworm of de elefantiasispathogeen."

De universiteiten van Hamburg, Lübeck en Tübingen, de Russische Academie van Wetenschappen, Staatsuniversiteit van Arizona, het Lawrence Livermore National Laboratory in de VS, het Max Planck Instituut voor Medisch Onderzoek, het Amerikaanse National Accelerator Laboratory SLAC, de Universiteit van Göteborg en DESY waren betrokken bij dit onderzoek.