Связи имеют решающее значение. Бактерии могут быть наиболее опасны, когда они соединяются - объединяясь вместе, чтобы построить подобные крепости структуры, известные как биопленки, которые обеспечивают им устойчивость к антибиотикам. Но ученый-биолог в Израиле и микробиолог в Калифорнии наладили собственные связи, которые могут привести к новым протоколам для осады колоний, защищенных биопленкой. Их исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), США.
Это междисциплинарное сотрудничество началось с лекции, прочитанной в Научном институте Вейцмана на Коллоквиуме наук о жизни. Докладчиком была профессор Дайан Ньюман из Калифорнийского технологического института, а профессор института Сарел Флейшман из отдела биомолекулярных наук решил присутствовать, хотя лекция не имела непосредственного отношения к его собственным исследованиям. Ньюман описала открытый ею фермент, который может прерывать метаболизм бактерий Pseudomonas aeruginosa, образующих биопленки. Фермент препятствует функционированию молекулы (пиоцианина), которая вырабатывается бактериями по мере того, как они достигают высокой плотности клеток и начинают истощать кислород, и, таким образом, он отвечает за то, чтобы помочь бактериям глубоко внутри биопленки оставаться жизнеспособными, а также лучше переносят обычные антибиотики. Эта молекула, однако, является палкой о двух концах: она также может быть токсичной для P.aeruginosa во внешних слоях биопленки, где присутствует кислород. Поскольку пиоцианин влияет как на развитие биопленки, так и на толерантность к антибиотикам, лаборатория Ньюмана сосредоточилась на выявлении способов нарушения его активности. Единственная проблема Ньюман, по ее словам, заключалась в том, что недавно открытый фермент, блокирующий пиоцианин, был нестабилен и производился в незначительных количествах, и до сих пор стандартные лабораторные методы выращивания таких белков не увенчались успехом.
Pseudomonas aeruginosa - условно-патогенная бактерия, вызывающая заболевание в основном у лиц с сопутствующими заболеваниями: в легких у больных муковисцидозом, в периферических ранах у больных сахарным диабетом и на различных имплантированных медицинских устройствах у пациентов больниц. Трудно поддающиеся уничтожению биопленки могут способствовать возвращению инфекций даже после лечения, способствуя росту устойчивости бактерий к антибиотикам, особенно штаммов, приобретенных в больнице.
После лекции Флейшман предложил Ньюману попробовать новый подход к производству большего количества фермента. Его лаборатория специализируется на вычислительном дизайне белков, и некоторые из их недавних работ включали переработку вакцинных белков, чтобы сделать их более стабильными.
Розали Липш-Соколик, студент-исследователь в своей лаборатории, вместе с доктором Ольгой Херсонской, научным сотрудником, взялись за разработку улучшенного, более стабильного фермента, разрушающего биопленку. Но этот фермент не был похож ни на один из тех, с которыми раньше работала лаборатория Флейшмана, и это потребовало от них разработки новой методологии: это был тример - три идентичные копии белка, связанные «как бочки, связанные вместе», - говорит Флейшман, а это означало, что, в дополнение к структуре отдельного белка, им нужно будет понять, как весь пакет сочетается друг с другом.
Первым шагом группы было картирование фермента до его атомной структуры. Это дало им детальное представление о силах, удерживающих белок вместе. Когда они сложили получившиеся модели трех копий вместе, чтобы понять формирование тримера, они заметили, что области контакта между копиями были плохо упакованы, атомарно говоря, и они подумали, что эти конкретные слабые места будут хорошим местом для начала проектирования тримера. более устойчивая структура.
Но даже после сужения потенциальных мест для корректировки количество возможностей дизайна для такого белкового комплекса было огромным. Липш-Соколик в конечном итоге приняла комбинированный двусторонний подход. Во-первых, нужно было искать белки, вырабатываемые другими бактериями, которые похожи, но немного отличаются, чтобы посмотреть, что можно позаимствовать. Второй подход был своего рода «тонким» атомистическим подходом к проектированию, идентифицировав всего дюжину или около того точек на ферменте, которые могли быть изменены, и испытав различные смоделированные комбинации аминокислот только в этих точках.
Прелесть методов компьютерного дизайна, разработанных в лаборатории Флейшмана, заключается не только в том, что они могут производить за очень короткое время сотни тысяч различных возможных дизайнов белков, но и в том, что они ранжируют их от наиболее вероятных работать, чтобы не работать вообще. Тем не менее, единственный способ узнать, верна ли ваша гипотеза - об областях, которые нуждаются в подкреплении, или о способности фермента продолжать функционировать, несмотря на изменения в его белковой последовательности, - это получить эти белки и протестировать их в реальных биологических системах. Введите доктора Челси М. ВанДрисса, научного сотрудника лаборатории Ньюмана, руководившего всеми экспериментальными испытаниями лабораторных разработок Флейшмана.
Флейшман признает, что его команда нервничала, когда ВанДрисс и Ньюман сказали им, что они могут проводить эксперименты только с десятью из разработанных тримерных ферментов из-за очень сложной природы экспериментов. Их задачи не ограничивались созданием этих новых белков, но включали в себя выяснение того, как очистить их в достаточном количестве в лаборатории, а затем протестировать их на реальных формирующих биопленку Pseudomonas aeruginosa в сочетании со стандартным лечением антибиотиками. Вопрос заключался в том, сможет ли команда не только произвести более активный белок, но и определить, может ли его применение облегчить контроль над биопленкой, и начать понимать механизмы, лежащие в основе эффектов фермента?
«Обе команды были на седьмом небе от счастья, когда пришли результаты», - говорит Флейшман: восемь из десяти разработанных ферментов были произведены в больших количествах, чем обычно, в лаборатории Ньюмана, без, казалось бы, ущерба для их биопленки. боевые способности. ВанДрис в шутку восторгалась, что теперь она может производить так много белка, что «могла бы добавлять его в свои хлопья каждое утро!» «Это показало, что наша гипотеза о контактных площадках была верна», - говорит Флейшман. Один фермент казался особенно надежным и производился в значительных количествах, поэтому ВанДрисс и Ньюман пошли до конца: они решили проверить, может ли эта версия фермента, по крайней мере в лаборатории, работать вместе с обычно используемым клиническим антибиотиком для искоренения биопленка.
На самом деле, они обнаружили, что фермент в сочетании с этим антибиотиком работает намного лучше, чем они ожидали. Дальнейший анализ показал, что фермент сначала помогает антибиотику убивать бактерии в насыщенных кислородом внешних областях биопленки способом, который ранее не наблюдался, что приводит за короткое время к значительному сокращению общего числа жизнеспособных клеток биопленки.
Флейшман добавляет, что по мере углубления сотрудничества между двумя группами ученых, которые обычно читают разные журналы, посещают разные конференции и экспериментируют с очень разными методами в разных масштабах, ВанДриссе даже добрался до лаборатории Вейцмана незадолго до первого COVID. -19 блокировок - он понял, что то, что начиналось для него как испытание методов вычислительного дизайна белков в его лаборатории, теперь имело вполне реальный шанс привести к излечению от некоторых из самых агрессивных бактериальных инфекций. Все сводилось к установлению правильных связей.
проф. Исследование Сарела-Джейкоба Флейшмана поддерживается Институтом медицинской химии доктора Барри Шермана; Центр фундаментальных исследований Йеда-Села; Совместная научная программа Шварца/Рейзмана; Благотворительный фонд Сэма Ошера Свитцера; Фонд Дайанны и Ирвинга Кипнес, Кэролин Хьюитт и Энн Кристопулос, памяти Сэма Свитцера; Фонд Милнера; и Фонд Бена Б. и Джойс Э. Айзенберг.