Door de structuur te onthullen van een eiwit dat door bacteriën wordt gebruikt om antibiotica uit te pompen, ontwierp een onderzoeksteam een ​​therapie in een vroeg stadium die de pomp saboteert en de effectiviteit van antibiotica herstelt.

Onder leiding van onderzoekers van de New York University, NYU Grossman School of Medicine en NYU Langone's Laura en Isaac Perlmutter Cancer Center, gebruikte de nieuwe studie geavanceerde microscopie om voor het eerst de structuur van NorA te "zien", een eiwit dat de bacteriesoort Staphylococcus aureus gebruikt om veelgebruikte antibiotica weg te pompen voordat ze ze kunnen doden.

Effluxpompen vertegenwoordigen één mechanisme waardoor S. aureus resistentie heeft ontwikkeld tegen fluoroquinolonen, een groep van meer dan 60 goedgekeurde antibiotica die norfloxacine (Noroxin), levofloxacine (Levaquin) en ciprofloxacine (Cipro) omvat. Fluoroquinolonen zijn nu niet effectief tegen sommige resistente bacteriestammen, waaronder methicilline-resistentie S. aureus (MRSA), een belangrijke doodsoorzaak bij gehospitaliseerde patiënten wanneer infecties ernstig worden, zeggen de onderzoekers. Om deze reden heeft het veld getracht effluxpompremmers te ontwerpen, maar vroege pogingen werden gehinderd door bijwerkingen.

"In plaats van te proberen een nieuw antibioticum te vinden, hopen we de meest gebruikte antibiotica van de afgelopen decennia, die ineffectief zijn geworden door bacteriële resistentie, weer zeer effectief te maken", zegt de eerste studie auteur Doug Brawley, Ph.D. Hij voltooide zijn proefschrift in de laboratoria van senior auteurs Nate Traaseth, Ph.D., een professor in de afdeling Chemie aan de New York University, en Da-Neng Wang, Ph.D., een professor in de afdeling Celbiologie aan de NYU Grossman School of Medicine.

Antilichamen te hulp

Online gepubliceerd op 31 maart in het tijdschrift Nature Chemical Biology , bouwt de studie voort op de vooruitgang in de ontwikkeling van antilichaamtechnologie in de afgelopen jaren. Binnendringende bacteriën activeren het immuunsysteem van het lichaam om veel enigszins verschillende antilichamen aan te maken, eiwitten die zijn gevormd om zich te hechten aan specifieke indringers en deze te neutraliseren.

Voor de huidige studie gebruikte het onderzoeksteam antilichamen om een ​​uitdaging te overwinnen die ervoor zorgde dat de structuur van NorA niet werd geanalyseerd. Brawley heeft jarenlang gewerkt aan het verfijnen van de expressie- en zuiveringsomstandigheden die nodig zijn voor deze analyse, maar het NorA-molecuul is compact en nauwelijks detecteerbaar, zelfs met geavanceerde cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM).

Als oplossing screenden de onderzoekers een grote verzameling synthetische antilichamen - samengesteld door het laboratorium van senior studieauteur Shohei Koide, Ph.D., professor in de afdeling Biochemie en Moleculaire Farmacologie aan de NYU Grossman School of Medicine - om die te vinden die het meest hecht aan NorA. Door de antilichamen aan NorA te hechten, verdubbelde het team effectief de grootte van het molecuul, wat de cryo-EM-beelden verbeterde en voor het eerst de structuur van de NorA-pomp onthulde.

Het werk onthulde ook de plaats waar het hoofdantilichaam van het team in NorA was gedokt, als een sleutel in een slot. Het team was verrast om te ontdekken dat de plaats waar dit antilichaam in NorA past, dezelfde plaats is waar NorA zich vastklampt en antibiotica verwijdert. Deze waarnemingen suggereerden dat het antilichaam de pomp zou kunnen blokkeren, antibiotica in staat zou stellen om in bacteriecellen te blijven en de bacteriegroei zou kunnen verstoren.

Uit de cryo-EM-structuur realiseerde het team zich ook dat het deel van het antilichaam dat het diepst in de bindingsholte van NorA was ingebed, een kort, lusvormig peptide was, een segment van eiwitbouwstenen. "We raakten opgewonden dat een geïsoleerd peptide dat overeenkomt met de lus op zichzelf NorA zou kunnen remmen", zegt Traaseth. Het team ontdekte dat dit peptide (genaamd NPI-1) functioneerde als een effluxpompremmer (EPI) en de antibioticaresistente S. aureus-groei in gerechten met voedingsstoffen (culturen) met meer dan 95 procent verminderde bij hoge concentraties in combinatie met het antibioticum norfloxacine.

De structurele analyse toonde ook aan dat de EPI veel interacties had met eiwitbouwstenen in de structurele zak waar NorA zich hecht aan antibiotische moleculen. "Dit maakt het hoogst onwaarschijnlijk dat bacteriën resistentie ontwikkelen tegen een dergelijke behandeling, omdat ze willekeurig zouden moeten evolueren om de EPI op de een of andere manier te verslaan zonder het vermogen van de effluxpomp om antibiotica te grijpen weg te nemen", zegt Wang.

In de toekomst werkt het team aan het verbeteren van het ontwerp van hun EPI. Elk residu van NPI-1 kan worden geoptimaliseerd voor een grotere potentie en om eventuele bijwerkingen te verminderen, zeggen de auteurs. Hun strategie voor het ontwikkelen van synthetische antilichamen tegen NorA-achtige effluxpompen kan helpen om EPI's te ontdekken tegen andere pathogenen waarvan bekend is dat ze afhankelijk zijn van pompen, waaronder Streptococcus pneumonia en Mycobacterium tuberculosis.

"De ontdekking van deze nieuwe manier om MRSA te remmen toont aan dat vijf laboratoria van vier afdelingen - met complementaire expertise in structurele biologie, eiwittechnologie, peptidechemie en microbiologie - kunnen samenwerken om te bereiken wat niemand alleen zou kunnen", voegt Koide toe. + Verder verkennen

Een nieuwe strategie voor het gebruik van verbindingen als 'anti-evolutie' medicijnen om antibioticaresistentie te bestrijden