Onderzoekers van de North Carolina State University hebben een manier gevonden om de moleculaire assemblagelijn te verfijnen die antibiotica maakt via gemanipuleerde biosynthese. Het werk zou wetenschappers in staat kunnen stellen om bestaande antibiotica te verbeteren en om snel en efficiënt nieuwe kandidaat-geneesmiddelen te ontwerpen.

Bacteriën—zoals E coli — gebruik maken van biosynthese om moleculen te creëren die moeilijk kunstmatig te maken zijn.

"We gebruiken bacteriën al om een ​​aantal medicijnen voor ons te maken, " zegt Edward Kalkreuter, voormalig afgestudeerde student bij NC State en hoofdauteur van een paper waarin het onderzoek wordt beschreven. "Maar we willen ook wijzigingen aanbrengen in deze verbindingen, bijvoorbeeld er is veel resistentie tegen erytromycine. In staat zijn om moleculen te maken met vergelijkbare activiteit maar verbeterde werkzaamheid tegen resistentie is het algemene doel."

Stel je een auto-assemblagelijn voor:bij elke halte langs de lijn staat een robot die een bepaald stuk van de auto kiest en aan het geheel toevoegt. Vervang nu de auto door erytromycine, en een acyltransferase (AT) - een enzym - als de robot op de stations langs de lopende band. Elke AT "robot" selecteert een chemisch blok, of verlengstuk, toevoegen aan het molecuul. Op elk station heeft de AT-robot 430 aminozuren, of restanten, die het helpen selecteren welke uitbreidingseenheid moet worden toegevoegd.

"Verschillende soorten extender-eenheden beïnvloeden de activiteit van het molecuul, " zegt Gavin Williams, hoogleraar scheikunde, LORD Corporation Distinguished Scholar bij NC State en corresponderende auteur van het onderzoek. "Het identificeren van de residuen die de selectie van de extendereenheid beïnvloeden, is een manier om moleculen te maken met de activiteit die we willen."

Het team gebruikte moleculaire dynamische simulaties om AT-residuen te onderzoeken en identificeerde 10 residuen die de selectie van extender-eenheden aanzienlijk beïnvloeden. Vervolgens voerden ze massaspectrometrie en in vitro testen uit op AT-enzymen waarbij deze residuen waren veranderd om te bevestigen dat hun activiteit ook was veranderd. De resultaten ondersteunden de voorspellingen van de computersimulatie.

"Deze simulaties voorspellen welke delen van het enzym we kunnen veranderen door te laten zien hoe het enzym in de loop van de tijd beweegt, " zegt Kalkreuter. "Over het algemeen, mensen kijken naar statisch, niet-bewegende structuren van enzymen. Dat maakt het moeilijk te voorspellen wat ze doen, omdat enzymen niet statisch van aard zijn. Voorafgaand aan dit werk, van zeer weinig residuen werd gedacht of bekend dat ze de selectie van de extender-eenheid beïnvloeden."

Williams voegt eraan toe dat het manipuleren van residuen een veel grotere precisie mogelijk maakt bij het herprogrammeren van de biosynthetische assemblagelijn.

"Eerder, onderzoekers die de structuur van een antibioticum wilden veranderen, zouden gewoon het hele AT-enzym verwisselen, Williams zegt. "Dat is het equivalent van het verwijderen van een hele robot van de lopende band. Door te focussen op de residuen, we vervangen alleen de vingers op die arm - zoals het herprogrammeren van een werkstation in plaats van het te verwijderen. Het zorgt voor een veel grotere precisie.

"Het gebruik van deze computersimulaties om erachter te komen welke residuen moeten worden vervangen, is een ander hulpmiddel in de gereedschapskist voor onderzoekers die bacteriën gebruiken om medicijnen te biosynthetiseren."