- I ricercatori hanno studiato le ragioni alla base della resistenza ai farmaci in una forma mutata di resistente alla meticillina Staphylococcus aureus (MRSA) batteri.
- Hanno scoperto che le mutazioni resistenti ai farmaci contenevano un’immagine speculare capovolta, nota come chiralità capovolta, del sito di legame per un cofattore chiave nella replicazione dell’MRSA.
- Gli autori dello studio sottolineano la necessità di tenere conto di questi risultati quando si progettano nuovi farmaci per i batteri.
I batteri MRSA causano infezioni da stafilococco resistenti a molti antibiotici. Questi batteri sono tra i
I trattamenti attuali per l’MRSA includono una combinazione di trimetoprim (TMP) e un antibiotico noto come sulfametossazolo. Questi trattamenti
Gli inibitori DHFR funzionano in modo simile a una serratura e una chiave. Si legano agli enzimi MRSA inserendosi in una struttura 3D che consente l’ingresso solo di molecole che si adattano con precisione.
Tuttavia, nel tempo, l’MRSA è mutato ed è diventato resistente a questi farmaci. Una delle ragioni di ciò è la nota mutazione F98Y, che provoca una leggera modifica del 98° amminoacido sull’enzima DHFR e alla fine rende i farmaci inibitori incapaci di legarsi ad esso come un lucchetto e una chiave.
Per qualche tempo, gli scienziati non sono stati in grado di mappare i meccanismi alla base del modo in cui questa mutazione porta alla resistenza ai farmaci. Tuttavia, sanno che identificare come queste mutazioni rendano l’MRSA resistente al trattamento li aiuterà a prevedere nuove mutazioni e sviluppare nuovi farmaci per colpire l’MRSA in modo più efficace.
In uno studio recente, i ricercatori della Duke University di Durham, NC, hanno studiato come le mutazioni dell’MRSA conferiscano resistenza a determinati trattamenti.
Hanno scoperto che la resistenza dell’MRSA deriva dalla mutazione F98Y che causa una preferenza di chiralità per il cofattore NADPH, il catalizzatore per le mutazioni nel DHFR.
La chiralità si riferisce alla manualità di una molecola, per cui non è possibile sovrapporre la sua immagine speculare senza sovrapposizioni, ad esempio, allo stesso modo in cui una persona non può sovrapporre la propria mano sinistra e destra senza che i pollici sporgano su lati diversi.
“Questo è il primo esempio di un enzima che sfrutta la chiralità del suo cofattore per eludere i suoi inibitori”, ha detto Graham Holt, uno studente laureato al Donald Lab della Duke University Notizie mediche oggi. “Ora che lo vediamo accadere, ciò aiuterà a informare le strategie computazionali per sviluppare inibitori migliori”.
La ricerca appare sulla rivista PLOS Biologia Computazionale.
Chiralità capovolta
I ricercatori hanno inizialmente cercato di prevedere le mutazioni F98Y di MRSA utilizzando Open Source Protein REdesign for You (OSPREY), una suite di programmi per la progettazione di proteine basate sulla struttura computazionale. Dopo una serie di test che non hanno prodotto risultati, hanno deciso di riesaminare la struttura di partenza dell’MRSA.
Lo hanno fatto usando
Questa mappa è simile a una nuvola in uno spazio vuoto, con le aree più spesse e sottili che rivelano la posizione degli atomi della molecola.
Utilizzando questa mappa della densità elettronica, i metodi computazionali possono prevedere quale potenziale struttura molecolare e atomica della proteina si adatterebbe meglio all’interno di questi contorni.
I ricercatori hanno utilizzato vari programmi per cercare di prevedere la composizione molecolare della proteina NADPH che si adatterebbe alla mappa della densità elettronica simile a una nuvola. Sapevano che la molecola del cofattore NADPH era da qualche parte nei dati sulla densità elettronica, quindi hanno chiesto al programma di cercare di adattarsi al meglio all’interno dei contorni dello spazio predefinito utilizzando una configurazione destrorsa.
Tuttavia, poiché il programma non è stato in grado di adattare la molecola del cofattore NADPH nello spazio in questa configurazione destrorsa, l’ha capovolta in una configurazione sinistrorsa, causando in definitiva un adattamento migliore previsto.
I ricercatori non si sono resi conto che il programma aveva “capovolto” la molecola per migliorare l’adattamento previsto. Ignari della chiralità capovolta, i ricercatori hanno proceduto ad analizzare nuovamente la proteina con OSPREY.
“Il design delle proteine è molto sensibile a tutti i tipi di cose come la chiralità”, ha detto l’autore principale Bruce R. Donald, che è James B. Duke Distinguished Professor of Computer Science and Mathematics, Chemistry and Biochemistry, MNT.
“Quando abbiamo cercato di analizzare la struttura utilizzando la progettazione delle proteine per vedere se si potevano prevedere mutazioni di resistenza, sono emersi problemi. Poi abbiamo notato che la molecola NADPH è stata capovolta!” Ha aggiunto.
Questa chiralità capovolta, affermano gli autori, ha cambiato la base strutturale della proteina per la resistenza. Proprio come nell’autenticazione a due fattori, hanno scoperto che la nota mutazione del singolo enzima ha portato al sito di legame del cofattore capovolto, contribuendo alla crescente resistenza dell’MRSA.
“Questo ha scatenato un ciclo di sperimentazione piuttosto intenso”, ha affermato il dottor Donald. “Nell’esame finale, abbiamo scoperto che il cofattore non era solo capovolto, [but it was also] capovolto e ciclizzato, il che significa che ha un anello in più, dal modello previsto.
“Una volta che eravamo certi che la chimica fosse stata compresa, abbiamo quindi intrapreso più esperimenti e più calcoli per cercare di comprendere le possibili implicazioni biologiche e biochimiche di questa scoperta”, ha spiegato.
Durante questi esperimenti ed esercizi di calcolo, i ricercatori hanno scoperto che tenendo conto della chiralità capovolta i loro risultati corrispondevano meglio alle misurazioni sperimentali della potenza dell’inibitore.
La chiralità capovolta può aiutare a spiegare la resistenza ai farmaci
In risposta a una domanda su cosa potrebbe aver causato l’evasione chirale osservata, il dottor Donald ha detto: “La risposta breve è che non lo sappiamo. Riteniamo che la mutazione di resistenza F98Y rimodelli il sito di legame del cofattore in modo che preferisca la versione capovolta/ciclizzata di NADPH. E contemporaneamente cambia il sito attivo dell’enzima in [change how drugs can bind to it].”
“Lascia che lo scomponga. Alcune molecole di farmaci hanno anche centri chirali — [an atom that has four unique atoms or groups attached to it]. Nel [regular] versione della proteina, farmaci (nella classe che abbiamo studiato) con entrambi i tipi di chiralità — [i.e., either mirror image of the protein] — si legano strettamente ed entrambi inibiscono l’enzima”, ha chiarito.
“Ma negli enzimi con questa mutazione di resistenza, solo i farmaci con una particolare ‘manualità’ possono legarsi strettamente! I farmaci con l’altra mano che in precedenza funzionavano ora sono resi molto meno efficaci.
– Dottor Bruce Donald
I ricercatori concludono che una chiralità NADPH commutata può contribuire alla resistenza dell’MRSA ai farmaci e che gli scienziati dovrebbero tenere conto di questa evasione chirale quando progettano nuovi farmaci per i batteri.
Notano che, sebbene le loro prove si basino su forti prove computazionali e biochimiche, sono necessari esperimenti in vivo per determinare se questi meccanismi si verificano davvero negli organismi viventi e l’entità della loro importanza.
Il Dr. Donald ha aggiunto: “La nostra analisi riguarda fondamentalmente la termodinamica. Ma pensiamo che una componente importante sarebbe la cinetica — la velocità con cui si verificano queste reazioni e cambiamenti. Abbiamo in programma di misurarlo in futuro per fornire una risposta completa”.
quando MNT Alla domanda su come questi risultati potrebbero portare allo sviluppo di migliori trattamenti per i batteri resistenti ai farmaci, il Dr. Donald ha detto:
“La maggior parte della progettazione di farmaci è reattiva, in cui aspettiamo che emergano mutazioni di resistenza in un contesto clinico prima di provare a combatterle. Quando scopriamo nuovi meccanismi di resistenza, come in questo articolo, la speranza è che possiamo usare quella comprensione per prevedere nuove mutazioni di resistenza che emergeranno in futuro e persino contrastarle mentre i farmaci sono ancora in fase di sviluppo in laboratorio”.
