Каждый год в США не менее 23 000 человек умирают от инфекций, вызванных бактериями, устойчивыми к антибиотикам, по данным Центров по контролю и профилактике заболеваний.
Используя компьютерное моделирование, исследователи из Sandia National Laboratories и Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн помогают разработать средства для предотвращения некоторых из этих смертей.
Одним из способов, которым бактерии вырабатывают устойчивость ко многим различным антибиотикам, является создание насосов, которые выплевывают незнакомые маленькие молекулы, такие как антибиотики, до того, как они смогут причинить какой-либо вред. Исследователи выяснили подробности того, как работает одна помпа с антибиотиком.
Конечная цель состоит в том, чтобы разработать новые лекарства для закупорки насоса, чтобы он не мог выплевывать антибиотики, возможно, восстанавливая их эффективность, сказала Сьюзен Ремпе, вычислительный биофизик Sandia. Она добавила: «Теперь, когда у нас есть структура помпы и мы знаем, как она работает, ученые могут разработать молекулу, которая плотно прилипнет к транспортеру. Я думаю, что это выполнимо в ближайшей перспективе, может быть, через пять лет».
Уточнение данных для определения детальной структуры насоса
Исследователи изучили особую помпу под названием EmrE, происходящую от кишечной палочки, обычных бактерий, которые иногда вызывают пищевое отравление. Помпа распознает и удаляет умеренно маслянистые положительно заряженные небольшие молекулы, говорит Джош Вермаас, бывший аспирант из Иллинойса, чья работа с Ремпе поддерживалась в рамках программы Sandia Campus Executive Program. Многие распространенные антибиотики, включая стрептомицин, доксициклин и хлорамфеникол, являются маслянистыми и положительно заряженными.
Их первый шаг состоял в том, чтобы определить детальную структуру насоса. По словам Вермааса, исходная конструкция насоса была очень грубой, в ней отсутствовали многие важные химические детали, и она была деформированной. Ремпе добавил, что получить хорошие структурные данные о переносчиках лекарств, таких как EmrE, может быть особенно сложно, потому что они гибкие. Представьте себе, что вам нужно сфотографировать извивающегося малыша медленной камерой: в результате фотография будет скорее размытой, чем точной копией.
Они объединили экспериментальные данные различных распространенных биофизических методов, таких как рентгеновская кристаллография, криоэлектронная микроскопия и спектроскопия электронного парамагнитного резонанса, а также десятилетия знаний о наиболее вероятном внутреннем расположении аминокислот, построении блоки белков, чтобы создать структуру насоса с высоким разрешением.
«Большой прорыв был в том, как мы могли взять плохие структурные данные из экспериментов и обработать их, чтобы получить улучшенную структуру, с которой мы могли работать, чтобы понять механизм насоса», - сказал Ремпе..
Молекулярное моделирование раскрывает «замок» насоса и его механизм
Как только у них была детальная структура насоса, началась настоящая работа.
Во-первых, команда добавила липидную мембрану, чтобы смоделировать реальную среду помпы. Затем они провели компьютерное моделирование, чтобы увидеть, как выглядит насос с нулем, одним или двумя протонами. Впуск двух протонов - это батарея, питающая этот насос. Они запустили симуляции, чтобы увидеть переход от белка, обращенного внутрь бактерии, к внешней стороне, чтобы найти «самый легкий» путь и, таким образом, увидеть, как работает насос. На моделирование этого «переворота» ушло более 80 000 часов компьютерной обработки.
Они также провели симуляции, чтобы увидеть, как выглядит помпа с образцом лекарства в кармане для связывания с лекарством. Ремпе сказал, что они нашли большую гибкость в кармане, где антибиотики связываются, что имеет смысл, учитывая, что помпа может распознавать широкий спектр лекарств. Они также определили несколько важных аминокислот, которые служат замком, чтобы гарантировать, что насос не отпустит протоны волей-неволей.
Устойчивость к антибиотикам - важная проблема. «Замок» на помпе - это то, что заставляет этот транспорт работать. Зная это, в будущем мы сможем разработать новые антибиотики, которые не будут откачиваться или иным образом сломать замок. в EmrE, - сказал Вермаас. «Если мы придумаем, как сломать помпу, чтобы она не регулировалась и пропускала протоны, это был бы новый способ убивать бактерии».
Дополнительные исследования по противодействию устойчивости к противомикробным препаратам
В дополнение к своей работе над помпами с антибиотиками Ремпе также смоделировала белок, который переносит токсины сибирской язвы в клетки-хозяева, где они сеют хаос, позволяя бактериям Bacillus anthracis процветать и вызывать сибирскую язву. Ремпе и ее сотрудники, в том числе постдокторант Сандиа Мангеш Чаудхари, определили молекулярные механизмы того, как эти токсины попадают в клетку-хозяин, и разработали пробку, блокирующую этот процесс. Биоинженер Sandia Энсон Хэтч возглавил команду, которая изготовила и протестировала вилку.
В рамках трехлетнего проекта, финансируемого программой Sandia's Laboratory Directed Research & Development (LDRD), Ремпе также возглавляет исследования нового противомикробного препарата под названием тейксобактин. Тейксобактин блокирует выработку бактериальной клеточной стенки уникальным способом, к которому бактериям трудно выработать устойчивость. Она и ее сотрудники из Сандии и Иллинойса используют компьютерное моделирование и эксперименты, чтобы понять, как действует противомикробный препарат, чтобы сделать его более мощным и широким. Они опубликовали свои первоначальные результаты в журнале Chemical Science, раскрыв два способа, которыми лекарство прикрепляется к специализированным молекулам жира в бактериальных мембранах. Связывание препятствует построению защитных клеточных стенок бактерий.
Хотя грамположительным бактериям, таким как Staphylococcus aureus, сложно изменить то, как они делают свою клеточную стенку, чтобы выработать устойчивость к тейксобактину, противомикробное средство все же можно выкачать из бактерий до того, как оно нанесет вред, что делает Ремпе и исследование Вермааса, чтобы понять механизм работы насосов с антибиотиками.
Ремпе сказал: «Моделирование молекулярной динамики имеет очень высокое разрешение в пространстве и времени, которое вы не можете получить в других экспериментах. Мы можем видеть динамику во времени с шагом в одну миллионную одной миллиардной доли секунды. Мы также можем видеть фрагменты процесса, который не был решен в экспериментах, и определять, какие химические структуры вносят свой вклад в эту работу. Это дает нам преимущество в изучении того, как функционируют патогены, и эта информация может привести к новым методам лечения для борьбы с этими патогенами."
В этом проекте широко использовались высокопроизводительные вычислительные ресурсы Sandia, и он проводился в Центре интегрированных нанотехнологий, пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики США, которым совместно управляют национальные лаборатории Sandia и Лос-Аламос.
Офис Sandia LDRD через программу Campus Executive Program и Национальные институты здравоохранения предоставил финансирование для исследования. Объединенное научно-техническое бюро Агентства по уменьшению угрозы обороны предоставило дополнительное финансирование.
«Небольшие инвестиции в рамках программы Campus Executive Program были сделаны после тщательного изучения десятков предложений перед тем, как выбрать это предложение по помпам с антибиотиками», - сказал Эрик Акерман, менеджер отдела нанобиологии. «Джош посетил Сандию, чтобы работать напрямую со Сьюзен и ее командой, и это прямое общение очень помогло. Этот проект также стал уроком настойчивости; потребовалось несколько лет работы, прежде чем статья была опубликована. Их статья демонстрирует силу моделирования для массажа. структурные определения с низким разрешением в полезное механистическое понимание».