Chemici van MIT en Harvard University hebben de structuur ontdekt van een ongewoon bacterieel enzym dat een aminozuur in collageen kan afbreken. dat is het meest voorkomende eiwit in het menselijk lichaam.

Het enzym, bekend als hydroxy-L-proline dehydratase (HypD), gevonden in een paar honderd soorten bacteriën die in de menselijke darm leven, inclusief Clostridioides difficile . Het enzym voert een nieuwe chemische reactie uit die hydroxy-L-proline ontmantelt, het molecuul dat collageen zijn taaiheid geeft, triple-helix structuur.

Nu onderzoekers de structuur van het enzym kennen, ze kunnen proberen medicijnen te ontwikkelen die het remmen. Zo'n medicijn kan nuttig zijn bij de behandeling van C. moeilijk infecties, die resistent zijn tegen veel bestaande antibiotica.

"Dit is heel opwindend omdat dit enzym niet bestaat bij mensen, dus het kan een potentieel doelwit zijn, " zegt Catherine Drennan, een MIT hoogleraar scheikunde en biologie en een Howard Hughes Medical Institute Investigator. "Als je dat enzym mogelijk zou kunnen remmen, dat zou een uniek antibioticum kunnen zijn."

Drennan en Emily Balskus, een professor in de chemie en chemische biologie aan de Harvard University, zijn de senior auteurs van de studie, die vandaag in het tijdschrift verschijnt eLife . MIT-afgestudeerde student Lindsey Backman en voormalig Harvard-afgestudeerde student Yolanda Huang zijn de hoofdauteurs van het onderzoek.

Een moeilijke reactie

Het HypD-enzym maakt deel uit van een grote familie van eiwitten die glycylradicaal-enzymen worden genoemd. Deze enzymen werken op een ongebruikelijke manier, door een molecuul glycine om te zetten, het eenvoudigste aminozuur, in een radicaal - een molecuul met één ongepaard elektron. Omdat radicalen erg onstabiel en reactief zijn, ze kunnen worden gebruikt als cofactoren, dat zijn moleculen die helpen een chemische reactie op gang te brengen die anders moeilijk uit te voeren zou zijn.

Deze enzymen werken het beste in omgevingen met weinig zuurstof, zoals de menselijke darm. Het menselijke microbioomproject, die duizenden bacteriële genen heeft gesequenced van soorten die in de menselijke darm worden gevonden, heeft verschillende soorten glycylradicaal-enzymen opgeleverd, inclusief HypD.

In een eerdere studie, Balskus en onderzoekers van het Broad Institute of MIT en Harvard ontdekten dat HypD hydroxy-L-proline kan afbreken tot een voorloper van proline, een van de essentiële aminozuren, door de hydroxymodificatie als een watermolecuul te verwijderen. Deze bacteriën kunnen uiteindelijk proline gebruiken om ATP te genereren, een molecuul dat cellen gebruiken om energie op te slaan, via een proces dat aminozuurfermentatie wordt genoemd.

HypD is gevonden in ongeveer 360 soorten bacteriën die in de menselijke darm leven, en in deze studie Drennan en haar collega's gebruikten röntgenkristallografie om de structuur te analyseren van de versie van HypD die is gevonden in C. moeilijk . In 2011, deze bacteriesoort was verantwoordelijk voor ongeveer een half miljoen infecties en 29, 000 doden in de Verenigde Staten.

De onderzoekers waren in staat om te bepalen welk gebied van het eiwit de "actieve plaats van het enzym vormt, " waar de reactie plaatsvindt. Zodra hydroxy-L-proline bindt aan de actieve plaats, een nabijgelegen glycinemolecuul vormt een glycylradicaal dat dat radicaal kan doorgeven aan het hydroxy-L-proline, wat leidt tot de eliminatie van de hydroxygroep.

Het verwijderen van een hydroxygroep is meestal een moeilijke reactie die veel energie vereist.

"Door een radicaal over te zetten naar hydroxy-L-proline, het verlaagt de energetische barrière en zorgt ervoor dat die reactie vrij snel kan plaatsvinden, "zegt Backman. "Er is geen ander bekend enzym dat dit soort chemie kan uitvoeren."

Nieuw medicijndoelwit

Het lijkt erop dat zodra bacteriën deze reactie uitvoeren, ze leiden proline om naar hun eigen metabole routes om hen te helpen groeien. Daarom, het blokkeren van dit enzym kan de groei van de bacteriën vertragen. Dit kan een voordeel zijn bij het beheersen van C. moeilijk , die vaak in kleine aantallen in de menselijke darm voorkomt, maar ziekte kan veroorzaken als de populatie te groot wordt. Dit gebeurt soms na een antibioticabehandeling die andere soorten uitroeit en het mogelijk maakt C. moeilijk te vermenigvuldigen.

" C. moeilijk kan in je darmen zitten zonder problemen te veroorzaken - het is wanneer je er te veel van hebt in vergelijking met andere bacteriën dat het problematischer wordt, " zegt Drennan. "Dus, het idee is dat door dit enzym te targeten, je zou de middelen van kunnen beperken C. moeilijk , zonder het noodzakelijkerwijs te doden."

De onderzoekers hopen nu te beginnen met het ontwerpen van kandidaat-geneesmiddelen die HypD kunnen remmen, door zich te richten op de elementen van de eiwitstructuur die het belangrijkst lijken te zijn bij het uitvoeren van zijn functie.