Tularemie is een zeldzame maar vaak dodelijke ziekte. Het wordt veroorzaakt door een van de meest agressieve ziekteverwekkers op aarde, de bacterie Francisella tularensis. de microbe, vervoerd door een verscheidenheid aan dieren en insecten, kan het lichaam binnendringen en aanvallen via een reeks paden, resulterend in verschillende constellaties van symptomen en gradaties van ernst.

Tularemie blijft slecht begrepen en er bestaat geen veilig en effectief vaccin voor de ziekte. De extreme dodelijkheid van F. tularensis en zijn potentieel om te worden verneveld, hebben het ook tot een biowapenkandidaat gemaakt, het vergroten van de urgentie van het begrijpen van de ziekte en het ontwikkelen van effectieve behandelingen.

In een nieuwe studie, onderzoekers van het Biodesign Center for Applied Structural Discovery onderzoeken een belangrijk membraaneiwit dat verantwoordelijk is voor het wonderbaarlijke vermogen van de bacterie om het lichaam te infecteren en ziekte te veroorzaken. Deze virulentiefactor, bekend als Flpp3, wordt in ongekend detail onderzocht met behulp van een röntgenvrije elektronenlaser of XFEL, een enorme en krachtige röntgenversneller in het SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford.

XFEL-technologie maakt gebruik van briljante en extreem korte flitsen van röntgenstralen om gekristalliseerde monsters van Flpp3 te onderzoeken, het onthullen van de gedetailleerde structuur van het eiwit als nooit tevoren. Door de structurele informatie verzameld door XFEL-experimenten te vergelijken met eerdere structurele analyse met behulp van NMR, onderzoekers hebben een vollediger model ontwikkeld van de uitgebreide vorm van Flpp3. (Eerdere studies hebben aangetoond dat wanneer een gen dat codeert voor Flpp3 is uitgeschakeld, de effecten van het pathogeen F. tularensis zijn aanzienlijk verminderd.)

Wetenschappers hopen deze informatie uiteindelijk te gebruiken om gerichte medicijnen te ontwikkelen die de virulentie-eigenschappen van het eiwit kunnen uitschakelen en beschermen tegen tularemie. De vooruitgang in het begrip kan wetenschappers ook helpen om in de toekomst een effectief vaccin tegen de ziekte te ontwikkelen. Momenteel, er bestaan ​​alleen levende verzwakte vaccins voor tularemie, en de risico's op infectie en onvoldoende immuniteit die met deze aanpak gepaard gaan, hebben het gebruik van dergelijke vaccins in de VS uitgesloten.

Biodesign-onderzoeker Dr. James Zook leidde samen met professoren Petra Fromme en Abhishek Singharoy van het Biodesign Center for Applied Structural Discovery de nieuwe studie. Hij wordt vergezeld door internationale collega's, waaronder onderzoekers van DESY, SLAC, AstraZeneca, het Europees laboratorium voor moleculaire biologie in Grenoble, Frankrijk, onder andere.

Petra Van mij, directeur van het Center for Applied Structural Discovery legt het belang van de resultaten uit:"Deze studie combineert, Voor de eerste keer, state-of-the-art XFEL-technieken met NMR en moleculaire modellering om de grote conformationele ruimte van Flpp3 te ontrafelen. De studie ontrafelt verschillende conformaties van dit belangrijke eiwit voor de virulentie van de bacterie in de XFEL- en NMR-structuur, waardoor de zeer dynamische aard van Flpp3 wordt aangetoond. Deze studie is zo opwindend omdat het laat zien dat zeer verschillende conformaties naast elkaar bestaan ​​en onder fysiologische omstandigheden in elkaar worden omgezet."

Virulentie visualiseren

Met behulp van gedetailleerde structurele gegevens van NMR en nieuwe XFEL-analyse van de tularemie-virulentiefactor, de onderzoekers identificeerden een potentiële remmer van Flpp3. Deze informatie werd verkregen uit beschikbare virtuele bibliotheken die structuren van medicijnfragmenten bevatten. Volgende, een op fysica gebaseerde modelleringsmethode, bekend als moleculaire dynamica (MD), gaf gedetailleerde informatie over de fluctuaties en conformationele veranderingen van atomen en moleculen in het virulentiegebonden eiwit, onderzoekers helpen om de structuur en het gedrag van Flpp3 nauwkeuriger te lezen.

"Dit werk biedt verschillende atomaire resolutiestructuren van een belangrijke virulentiefactor van de bacterie die tularemie veroorzaakt, " volgens Biodesign-onderzoeker Dr.Debra Hansen, een co-auteur van de nieuwe studie. De geïdentificeerde eiwitconfiguraties zullen onderzoekers helpen bij het nastreven van op structuur gebaseerd ontwerp van geneesmiddelen die effectief zouden kunnen zijn tegen de ongrijpbare ziekte, door de targeting en remming van Flpp3.

Zoals co-auteur en Biodesign-onderzoeker Dr. Abhishek Singharoy uitlegt:de studie is opmerkelijk omdat het een van de eerste onderzoeken is naar de conformationele flexibiliteit van eiwitten die is ontdekt met seriële femtoseconde röntgenkristallografie en NMR en bevestigd met behulp van moleculaire dynamica (MD) -simulaties.

De bevindingen van de groep verschijnen in het huidige nummer van het tijdschrift Cell Press Structuur .

Aanhoudende bedreiging

Tularemie, ook bekend als konijnenkoorts, is een zeldzame infectieziekte, typisch aanvallen van de ogen, huid, lymfeklieren en longen na infectie door de bacterie F. tularensis. De ziekte is endemisch in Noord-Amerika en in veel delen van Europa en Azië, hoewel gevallen van tularemie zeldzaam zijn en volledige uitbraken meestal beperkt blijven tot regio's met slechte sanitaire voorzieningen en ontoegankelijkheid tot moderne gezondheidszorg.

Tularemie treft vooral zoogdieren, vooral knaagdieren, konijnen en hazen, hoewel het soms ook vogels infecteert, schaap, en huisdieren, inclusief honden, katten en hamsters.

De ziekte kan op mensen worden overgedragen via insectenbeten en directe blootstelling aan een besmet dier. De ziekte is uiterst besmettelijk. Slechts 10 bacteriecellen kunnen dodelijk zijn en een enkele bacterie kan voldoende zijn om een ​​infectie te veroorzaken. Het organisme kan weken in de bodem leven, water en dode dieren.

Tularemie kan effectief worden behandeld als het vroeg wordt ontdekt, hoewel het behandelingsregime lang en complex kan zijn. De meeste geïnfecteerden met F. tularensis vertonen symptomen binnen drie tot vijf dagen, al kan het wel twee weken duren.

De ziekte bestaat in verschillende vormen met verschillende symptomen, afhankelijk van hoe en waar de bacteriën het lichaam binnenkomen. Deze omvatten ulceroglandulaire tularemie, de meest voorkomende vorm, die zweren van de huid veroorzaakt op de plaats van infectie, gezwollen en pijnlijke lymfeklieren, koorts, rillingen, hoofdpijn en uitputting.

Andere vormen zijn onder andere glandulair, oogheelkundig, orofaryngeale, longontsteking, en tyfeuze tularemie. Indien onbehandeld, een verscheidenheid aan ernstige complicaties van de ziekte kunnen optreden, inclusief meningitis, ontsteking van de longen, irritatie rond het hart en infectie van het bot.

Kristal methode:

In de huidige studie, een techniek die bekend staat als seriële femtoseconde röntgenkristallografie wordt gebruikt om de structuur van het Flpp3-eiwit te onderzoeken. Hier, korte en briljante röntgenuitbarstingen, ongeveer een miljard keer helderder dan conventionele röntgenstralen, een straal kristallen raken die door de röntgenstraal "vliegt". De intense röntgenstraal vernietigt de kristallen, maar voordat ze dit doen, creëert een diffractiepatroon op een scherm. De röntgenpulsen zijn ultrakort, duurt slechts 40 femtoseconden, dat ze röntgenschade ontlopen, waardoor gegevens kunnen worden verzameld bij kamertemperatuur onder bijna fysiologische omstandigheden. (1 fs =10 ^-15 seconden of een quadriljoenste van een seconde.)

Door veel van deze röntgenopnamen met behulp van computers te assembleren, kunnen gedetailleerde, 3D-structuur van het onderzochte eiwit. Deze zogenaamde diffractie vóór vernietigingsmethode werd voor het eerst ontwikkeld door Henry Chapman bij de Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) met het team van ASU onder leiding van John Spence en Petra Fromme en hun medewerkers.

De onderzoekers combineerden de nieuwe structurele gegevens van XFEL met hun eerdere NMR-onderzoeken van Flpp3, observeren van twee verschillende toestanden van het eiwit. De MD-simulaties onthulden een interne holtestructuur die van voorbijgaande aard is, wat suggereert dat Flpp3 een subtiele conformatieverandering ondergaat.

De aanpak opent de deur naar gerichte ontwikkeling van geneesmiddelen gericht op het verminderen van de dodelijkheid van tularemie en toont de kracht van gecombineerde technologieën voor het ontsluiten van de details van de eiwitstructuur en -dynamiek.