Как предотвратить выброс лекарств из клеток

Международная исследовательская группа изучила механизм транспорта бактериального мембранного белка с помощью искусственно созданного фрагмента антитела. Транспортные белки, называемые ABC-экспортерами, присутствуют, например, в клеточных мембранах бактерий и в больших количествах в раковых клетках, и отвечают за выведение малых молекул из клеток. Некоторые транспортеры могут выкачивать антибиотики или химиотерапевтические агенты, делая терапии неэффективными. В текущем исследовании ученые работали с изолированными ABC-экспортерами и показали, как транспорт субстрата связан с энергетическим механизмом белка и как оба процесса можно изменить с помощью фрагмента антитела или мутаций. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications 21 мая 2019 года.

В исследовании участвовали профессор Энрика Бординьон и профессор Ларс Шефер из Рурского университета в Бохуме (оба — члены кластера передового опыта Resolv), профессор Маркус Зегер из Цюрихского университета и профессор Микко Карттунен из Университета Западного Онтарио.

Многостадийный процесс транспорта

ABC-экспортеры потребляют энергию при выведении молекул из клеток. Они получают ее за счет расщепления молекулы-накопителя энергии АТФ на внутренней стороне мембраны. В общих чертах, ABC-экспортер состоит из трех областей: энергоснабжающего мотора внутри клетки, соединителя, проходящего через клеточную мембрану, и ворот на внешней стороне мембраны.

В процессе транспорта ABC-экспортер открывается внутри клетки, захватывает молекулу из цитоплазмы и переносит ее на другую сторону мембраны. Там открываются внешние ворота, и молекула выбрасывается — но только если белковый мотор расщепляет АТФ внутри. Только после того, как внешние ворота снова закроются, может начаться следующий транспортный цикл.

Мотор выключен

Исследователи разработали искусственный фрагмент антитела (сибади), который присоединялся к изолированному ABC-экспортеру в пробирке. С помощью рентгеновской кристаллографии и электронного парамагнитного резонанса команда показала, что сибади связывается с открытыми внешними воротами. В результате ворота больше не могли закрыться, и новый транспортный процесс не мог быть инициирован. Следовательно, мотор внутри оставался выключенным; расщепление АТФ прекращалось.

Группа подтвердила результаты в дальнейших экспериментах без сибади. В них ученые целенаправленно заменили определенные аминокислоты белка с помощью генетической мутации; это также блокировало механизм закрытия внешних ворот и расщепление АТФ.

"Наши анализы показали, что механизм открытия и закрытия внешних ворот структурно связан с расщеплением поставщика энергии АТФ на внутренней стороне", — описывает Энрика Бординьон. "Наши результаты — фундаментальные исследования", — говорит руководитель исследовательской группы ЭПР-спектроскопии в Бохуме. "Мы надеемся, что эта информация откроет новые подходы для борьбы с лекарственной устойчивостью".