Как бактерии становятся устойчивыми к лекарствам: раскрыт механизм молекулярного мотора

Исследователи из Университета Вандербильта и Университета Аризоны раскрыли детали работы двухстадийного "молекулярного мотора" в клеточной мембране, который позволяет бактериям приобретать устойчивость к лекарствам.

Результаты, опубликованные в журнале Nature Chemical Biology, помогут в поиске ингибиторов, способных "выключить" этот белок — ABC-транспортер. Они также важны для разработки методов блокировки человеческой версии этого транспортера, которая позволяет опухолевым клеткам становиться устойчивыми к химиотерапии.

По данным CDC, устойчивые к антибиотикам бактерии и грибы ежегодно заражают не менее 2,8 млн человек в США и становятся причиной более 35 000 смертей.

Ключевым механизмом устойчивости является ABC-экспортер (ATP-binding cassette). ABC-экспортеры используют гидролиз АТФ — высвобождение химической энергии, запасённой в молекулах АТФ, — для перемещения различных молекул через клеточные мембраны. Энергия АТФ позволяет экспортерам связывать токсичные вещества, а затем разворачиваться и выводить их из клетки.

В 2014 году команда Хассане Мшаураба с коллегами из Университета Иллинойса с помощью метода электронного парамагнитного резонанса (EPR) выявила ранее неизвестные изменения формы (конформации) ABC-экспортера бактерии Bacillus subtilis при взаимодействии с АТФ.

Исследователи предположили, что энергия АТФ в серии сложных шагов управляет переходом между "смотрящей внутрь" и "смотрящей наружу" конформациями экспортера. Асимметричное и последовательное связывание двух молекул АТФ с разными частями белкового комплекса преобразует химическую энергию в механическую, вызывая конформационные изменения.

Для подтверждения теории потребовалось зафиксировать изображение конформационного изменения. Для этого учёные использовали криогенную электронную микроскопию (крио-ЭМ), позволяющую измерять атомные расстояния при криогенных температурах (ниже –320 °F).

Исследования с помощью крио-ЭМ, проведённые в Тихоокеанском северо-западном центре крио-ЭМ в Портленде, в сочетании с методом EPR-спектроскопии DEER и молекулярным динамическим моделированием, впервые выявили структуру "смотрящую внутрь", загруженную АТФ, с двумя асимметрично связанными молекулами лекарства.

Это промежуточная конформация предполагает, что можно разработать препараты, которые будут "запирать" бактериальный экспортер в состоянии "смотрящим внутрь", не позволяя ему развернуться и выбросить антибиотик из клетки.