Noul model de mecanism antibacterian

Imagine: biologul Brookhaven Lab Paul Freimuth și cercetătorul de la Brookhaven Lab Center for Functional Nanomaterials (CFN) Feiyue Teng, co-autor, în fața microscopului cu lumină folosit pentru imaginea bacteriilor în acest studiu.
pentru a vedea După

Credit: Brookhaven National Laboratory

UPTON, NY — Biologii de la Brookhaven National Laboratory al Departamentului de Energie al SUA și colaboratorii lor au descoperit o proteină aberantă care este mortală pentru bacterii. Într-un articol tocmai publicat în jurnal PLUS UNU, oamenii de știință descriu modul în care această proteină construită greșit imită acțiunea aminoglicozidelor, o clasă de antibiotice. Proteina recent descoperită ar putea servi drept model pentru a ajuta oamenii de știință să descopere detaliile efectelor letale ale acestor medicamente asupra bacteriilor și, potențial, să deschidă calea pentru viitoare antibiotice.

„Identificarea de noi ținte în bacterii și strategii alternative pentru a controla creșterea bacteriilor va deveni din ce în ce mai importantă”, a spus biologul Brookhaven Paul Freimuth, care a condus cercetarea. Bacteriile au dezvoltat rezistență la multe medicamente utilizate în mod obișnuit, iar mulți oameni de știință și medici și-au exprimat îngrijorarea cu privire la potențialul de epidemii la scară largă declanșate de aceste bacterii rezistente la antibiotice, a explicat el.

„Ceea ce am descoperit este departe de a deveni un medicament, dar primul pas este să înțelegem mecanismul”, a spus Freimuth. „Am identificat o singură proteină care imită efectul unui amestec complex de proteine ​​aberante produse atunci când bacteriile sunt tratate cu aminoglicozide. Acest lucru ne oferă o modalitate de a studia mecanismul care ucide celulele bacteriene. Deci, poate o nouă familie de inhibitori ar putea fi dezvoltată pentru a face același lucru.

Continuarea unei ramuri interesante

Oamenii de știință de la Brookhaven, care se concentrează în mod normal pe cercetarea legată de energie, nu au avut în vedere sănătatea umană atunci când au început acest proiect. Ei au folosit Col E.eu bacterii pentru a studia genele implicate în construcția pereților celulelor vegetale. Această cercetare ar putea ajuta oamenii de știință să învețe cum să transforme materia vegetală (biomasă) mai eficient în biocombustibili.

Dar când au activat expresia unei anumite gene a plantei, permițând bacteriilor să producă proteina, celulele s-au oprit imediat din creștere.

„Această proteină a avut un efect extrem de toxic asupra celulelor. Toate celulele au murit în câteva minute de la activarea expresiei acestei gene”, a spus Freimuth.

Înțelegerea bazei acestei inhibiții rapide a creșterii celulare a făcut-o un proiect de cercetare ideal pentru stagiarii de vară care lucrează în laboratorul Freimuth.

„Stagiarii ar putea să efectueze experimente și să vadă efectele într-o singură zi”, a spus el. Și poate ar putea ajuta la înțelegerea de ce o proteină vegetală ar provoca daune atât de dramatice.

Cod citit greșit, proteine ​​desfăcute

„Aceasta a început să devină cu adevărat interesant”, a spus Freimuth.

Grupul a descoperit că factorul toxic nu era deloc o proteină vegetală. Era o componentă de aminoacizi, elementele de bază ale proteinelor, care nu avea sens.

Această componentă fără sens a fost produsă din greșeală când ribozomii bacteriei (mașinăria de producere a proteinelor din celule) au tradus literele care compun codul genetic „defazat”. În loc să citească codul în bucăți de trei litere care codifică pentru un anumit aminoacid, ribozomul citește doar cele doua litere ale unei bucăți plus prima literă a următoarei triplete. Acest lucru a dus la introducerea aminoacizilor greșiți.

„Ar fi ca și cum ai citi o propoziție care începe în mijlocul fiecărui cuvânt și să o unești cu prima jumătate a cuvântului următor pentru a produce un șir de farfurie”, a spus Freimuth.

Proteina gibberish ia amintit lui Freimuth de o clasă de antibiotice numite aminoglicozide. Aceste antibiotice forțează ribozomii să facă erori similare de „fazare” și alte tipuri de erori atunci când construiesc proteine. Rezultat: toți ribozomii bacteriei produc proteine ​​gabioase.

„Dacă o celulă bacteriană are 50.000 de ribozomi, fiecare producând o proteină aberantă diferită, efectul toxic este rezultatul unei anumite proteine ​​aberante sau al unei combinații a mai multor? Această întrebare a apărut cu zeci de ani în urmă și nu a fost niciodată rezolvată”, a spus Freimuth.

Noua cercetare arată că o singură proteină aberantă poate fi suficientă pentru efectul toxic.

N-ar fi prea exagerat. Șuvițele de aminoacizi aiurea nu se pot plia corect pentru a deveni complet funcționale. Deși proteinele pliate greșit sunt produse în toate celulele prin erori întâmplătoare, ele sunt de obicei detectate și eliminate complet prin mecanisme de „control al calității” în celulele sănătoase. Eșecul sistemelor de control al calității ar putea duce la acumularea de proteine ​​aberante, provocând boli.

Un control al calității eșuat

Următorul pas a fost să aflăm dacă proteina vegetală aberantă ar putea activa sistemul de control al calității celulei bacteriene sau poate împiedica cumva acest sistem să funcționeze.

Freimuth și echipa sa au descoperit că proteina vegetală aberantă a activat într-adevăr etapa inițială de control al calității proteinelor, dar etapele ulterioare ale procesului direct necesare pentru degradarea aberantă a proteinei au fost blocate. Ei au descoperit, de asemenea, că diferența dintre viața și moartea celulelor depindea de rata la care a fost produsă proteina aberantă.

„Când celulele conțineau multe copii ale genei care codifică proteina vegetală aberantă, mașina de control al calității a detectat proteina, dar nu a putut să o degradeze complet”, a spus Freimuth. „Când am redus numărul de copii ale genelor, totuși, mașina de control al calității a reușit să elimine proteina toxică, iar celulele au supraviețuit”.

Același lucru se întâmplă, a remarcat el, în celulele tratate cu doze subletale de antibiotice aminoglicozide. „Răspunsul de control al calității a fost puternic activat, dar celulele au fost încă capabile să continue să crească”, a spus el.

Model pentru mecanism

Aceste experimente au indicat că singura proteină vegetală aberantă a ucis celulele prin același mecanism ca și amestecul complex de proteine ​​aberante induse de antibioticele aminoglicozide. Dar mecanismul precis al morții celulare rămâne un mister.

„Vestea bună este că acum avem o singură proteină, cu o secvență de aminoacizi cunoscută, pe care o putem folosi ca model pentru a explora acest mecanism”, a spus Freimuth.

Oamenii de știință știu că celulele tratate cu antibiotice devin permeabile, permițând lucruri precum sărurile să pătrundă la niveluri toxice. O ipoteză este că proteinele pliate greșit ar putea forma noi canale în membranele celulare sau pot bloca porțile canalelor existente, permițând difuzarea sărurilor și a altor substanțe toxice prin membrana celulară.

„Un pas următor ar fi să determinăm structurile proteinei noastre în complex cu canalele membranare, pentru a studia modul în care proteina ar putea inhiba funcționarea normală a canalelor”, a spus Freimuth.

Acest lucru ar ajuta la o mai bună înțelegere a modului în care proteinele aberante induse de antibioticele aminoglicozide ucid celulele bacteriene și ar putea informa proiectarea de noi medicamente pentru a declanșa efecte identice sau similare.

Această activitate a fost susținută de un grant de cercetare și dezvoltare condus de laboratorul Brookhaven Lab și, parțial, de Biroul de Știință al DOE, Biroul de Dezvoltare a Forței de Muncă pentru Profesori și Oameni de Știință (WDTS) în cadrul Programului de profesor invitat (VFP). Finanțare suplimentară de la Fundația Națională pentru Știință (NSF) a sprijinit studenții care participă la stagii prin Programul de extindere a talentelor NSF Science, Technology, Engineering and Mathematics (STEP) și Louis Stokes Alliances for Minority Participation (LSAMP).

Brookhaven National Laboratory este susținut de Biroul de Știință al Departamentului de Energie al SUA. Biroul de Știință este cel mai mare susținător al cercetării fizice de bază din Statele Unite și lucrează pentru a aborda unele dintre cele mai presante provocări ale timpului nostru. Pentru mai multe informații, vă rugăm să vizitați science.energy.gov.

Urmărește pe @BrookhavenLab Stare de nervozitate sau găsiți-ne pe Facebook.

Linkuri conexe


Add Comment