Изображения фермента в действии раскрывают секреты устойчивых к антибиотикам бактерий
Бактерии используют арсенал средств для борьбы с лекарствами. Среди самых распространенных — рибосом-модифицирующие ферменты. Они встречаются все чаще по всему миру в клинических образцах различных устойчивых бактерий.
Ученые впервые получили изображения одного важного класса этих ферментов в действии. Снимки показывают, как ферменты захватывают определенный участок бактериальной рибосомы, сжимают его как пинцет, чтобы извлечь нуклеотид РНК и модифицировать его. Исследование под руководством ученых из Университета Эмори опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Сверхвысокое разрешение и трехмерные снимки стали возможны благодаря передовой технике криоэлектронной микроскопии.
"Увидеть — значит поверить", — говорит Кристин Данхэм, профессор химии в Эмори и соавтор статьи. "Когда видишь, как биологические структуры взаимодействуют в реальности на атомном уровне, это как собрать пазл. Видишь, как все сочетается, и понимаешь, как все работает".
Эти данные могут помочь в разработке новых антибиотиков для подавления активности ферментов РНК-метилтрансфераз, которые придают устойчивость. Эти ферменты переносят небольшую углеводородную группу (метил) с одной молекулы на другую — процесс метилирования.
"Метилирование — одна из самых маленьких химических модификаций в биологии", — говорит Грайм Конн, профессор биохимии в Школе медицины Эмори и соавтор статьи. "Но эта крошечная модификация может фундаментально изменить биологию. В данном случае она обеспечивает устойчивость, позволяя бактериям избежать действия целого класса антибиотиков".
Ферменты, модифицирующие рибосому
Конн — ведущий эксперт по бактериальным ферментам защиты, известным как рибосомные РНК-метилтрансферазы. Это семейство ферментов было первоначально обнаружено в почвенных бактериях. Теперь они все чаще встречаются в инфекциях у людей и животных, затрудняя лечение.
Ферменты могут вызывать смертельную устойчивость у патогенов, таких как E. coli, Salmonella, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa и Enterobacteriaceae. Ферменты добавляют метильную группу в определенное место на бактериальной рибосоме. Это добавление блокирует способность класса антибиотиков, известных как аминогликозиды, связываться и оказывать антибактериальное действие.
В исследовании для PNAS ученые сосредоточились на конкретном ферменте этого семейства — рибосомной РНК-метилтрансферазе C, или RmtC.
Революция в разрешении
Недавние достижения в криоэлектронной микроскопии позволили изучить сложный механизм работы RmtC.
Мейсам Носрати, бывший постдок в лаборатории Конна и соавтор статьи, подготовил образцы RmtC, взаимодействующего с частью рибосомы E. coli. Образцы были заморожены на крошечной сетке и отправлены в Тихоокеанский северо-западный центр крио-ЭМ для визуализации.
Аспирантка в лаборатории Данхэм, Пууджа Шринивас, проанализировала и интерпретировала данные микроскопии. Она использовала компьютерные алгоритмы, чтобы объединить тысячи отдельных изображений в "книжку-раскладушку", показавшую сложную структуру RmtC в действии.
"Фермент захватывает рибосому, как щипцы", — объясняет Данхэм. "Он усиливает хватку, пока не выжимает нуклеотид из внутренней части спирали РНК. Затем он химически модифицирует этот нуклеотид".
Фермент исключительно специфичен в отношении места связывания с рибосомой — огромной макромолекулой, состоящей из 50 различных белков и 6000 различных нуклеотидов РНК.
Стратегии для новых методов лечения
Исследователи теперь пытаются разработать новые способы противодействия эффектам RmtC и родственных ферментов на основе новой информации.
"Знание формы фермента во время химической реакции дает нам новые мишени для подавления его эффектов", — говорит Конн. "Например, мы можем нацелиться на действие "щипцов" фермента, чтобы попытаться предотвратить его сжатие и связывание с рибосомой. Теперь мы знаем, что фермент образует на своей поверхности карман, где может разместиться небольшая молекула, чтобы заблокировать это действие".