Согласно новому исследованию, проведенному под руководством Вычислительный биолог Университета Канзаса.
Открытие может иметь решающее значение в будущих исследованиях, направленных на развитие методов лечения устойчивости к антибиотикам штаммов бактерий, таких как кишечная палочка, сальмонелла, шигелла, менингококк и другие.
«Устойчивость к антибиотикам связана с эволюцией; речь идет об эволюционирующих функциях белков, позволяющих бактериям выживать и обеспечивать их эволюционный успех», - сказала Джоанна Слуски, доцент кафедры молекулярной биологии и вычислительной биологии Калифорнийского университета. «Обучаясь у природы, мы можем изучить этапы эволюции, и тогда возникает вопрос: можем ли мы сконструировать белки, используя этапы эволюции, которые в конечном итоге обеспечат наш собственный генетический успех?»
Слуски работает над созданием белков, которые будут повышать чувствительность бактерий к обычным антибиотикам, а также над преодолением устойчивых к лекарствам супербактерий.
Она была ведущим автором исследования, опубликованного в четверг в журнале Structure. Соавторами являются аспиранты Калифорнийского университета в области вычислительной биологии, Меган Франклин и Райан Фихан, который также работал научным сотрудником в Центре вычислительной биологии Калифорнийского университета. Другими соавторами являются Сергей Непомнящий и Рэйчел Колодны, оба с факультета компьютерных наук Хайфского университета, гора Кармель в Израиле, а также Нир Бен-Таль из Тель-Авивского университета. Непомнящий также работает на кафедре биохимии и молекулярной биологии Тель-Авивского университета.
Исследователи изучили белки, называемые бета-баррелями, которые находятся на поверхности бактерий. Исследование началось со сравнения большинства типов бета-баррелей с бета-баррелями эффлюксных насосов. В эффлюксных насосах бета-ствол образует внешнюю часть больших насосов, которые выталкивают антибиотики из клетки.
Изучая вариации этих бета-баррелей на уровне последовательности, исследователи обнаружили, что бета-баррели, которые были вовлечены в устойчивость к антибиотикам, не имели связи последовательности с другими бета-баррелями, а также имели структурные различия. Это привело их к выводу, что бета-баррели эффлюксного насоса и другие бета-баррели, возможно, не произошли от общего предка..
Вместо этого давление природы - посредством конвергентной эволюции - могло вынудить бактерии развивать оба типа бочкообразных белков по отдельности.
"Мы начали с вопросов "как это связано?" Чтобы сказать: «О, мы думаем, что они не связаны, и что означает наличие другой структуры для механизма устойчивости к антибиотикам?», - сказал Слуски.
Для ученых было проблемой задокументировать гомологию бета-баррелей внешней мембраны из-за чрезвычайной вариации бактериальной последовательности, из-за которой белки кажутся более разными. Кроме того, встречное влияние высокого сходства последовательностей, необходимого для нитей бета-бочонка, делает белки более похожими.
Есть около 100 разновидностей белков наружной мембраны каждого вида грамотрицательных бактерий.
Слуски сказал, что бактериям явно необходимо использовать откачивающие насосы для перемещения определенных соединений из клетки, но в контексте борьбы с лекарственно-устойчивыми супербактериями они могут стать ключевой частью головоломки.
«Эффлюксные помпы - это те самые помпы, на которые мы пытаемся воздействовать, чтобы устранить устойчивость к антибиотикам», - сказал Слуски.
Эволюционный процесс, задокументированный исследователями, поддерживает гипотезу о том, что бета-баррели в откачивающих насосах функционируют подобно радужной оболочке глаза, которая расширяется и сужается в зависимости от уровня света в окружающей среде человека, сказала она.
«Мы собираемся искать этот механизм, похожий на радужную оболочку», - сказал Слуски. «Если это механизм устойчивости к антибиотикам, тогда возникает следующий вопрос: как нам отключить этот механизм?»
В рамках статьи исследователи также обнаружили, что автотранспортеры могут быть наиболее известными моделями изначальной структуры бета-ствола внешней мембраны, что дает биологам ключ к разгадке того, как бета-ствол со временем сшивался воедино.
«Понимание эволюции говорит нам, где была биология, что интересно людям, потому что рассказывает нам нашу собственную историю и историю Земли», - сказал Слуски. «Но это также говорит нам, куда мы можем двигаться и какие механизмы возможны. Он говорит нам, как может развиваться жизнь и какие инструменты могут использовать биологи для изменения и разнообразия молекул, находящихся в нашем распоряжении».