Un film molecular în timp real dezvăluie secretele biosintezei penicilinei
O echipă de cercetători de la Universitatea din Oxford, împreună cu colaboratori internaționali, a dezvăluit etape chimice rapide, anterior nevăzute, în formarea antibioticelor β-lactam, precum penicilina, oferind informații care pot sprijini dezvoltarea viitoare a antibioticelor. Descoperirile au fost publicate astăzi (9 octombrie) în Nature Catalysis.
De la dezvoltarea penicilinei ca medicament funcțional la Universitatea din Oxford în anii 1940, antibioticele β-lactam au fost printre cele mai importante medicamente pentru tratarea infecțiilor bacteriene. Activitatea acestora depinde de un inel special – inelul β-lactam – un sistem chimic extrem de tensionat care interferează cu sinteza peretelui celular bacterian, provocând în final eșecul peretelui celular și moartea bacteriilor.
Cercetătorii au studiat modul în care natura construiește acest inel β-lactam de decenii, dar intermediarii de reacție efemeri au fost prea greu de observat direct.
Creșterea ratelor de rezistență antimicrobiană – un proces prin care bacteriile, ciupercile și alte microorganisme evoluează pentru a supraviețui medicamentelor concepute pentru a le distruge – subminează eficiența antibioticelor existente. Întrucât există prea puține antibiotice noi în dezvoltare, înțelegerea modului în care natura construiește aceste molecule este un pas important pentru completarea pipeline-ului antibiotic.
În noul studiu, cercetătorii de la Universitatea din Oxford, în colaborare cu parteneri de la Diamond Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory, PAL-XFEL și SLAC National Accelerator Laboratory, au folosit lasere cu electroni liberi cu raze X pentru a observa enzima isopenicilină N sintetază (IPNS) în timp ce aceasta transformă substratul său peptidic liniar în sistemul inelului penicilinei.
Studiul arată, într-o detaliere fără precedent, cum enzima IPNS realizează o transformare extrem de complexă într-un singur pas. Aceasta rezolvă o întrebare mecanistică care a rămas fără răspuns timp de mai bine de patru decenii.
În loc să se bazeze pe structuri statice de cristalografie cu raze X ale enzimei, cercetătorii au urmărit reacția în timp real utilizând experimente cu laser cu electroni liberi cu raze X (XFEL).
Echipa a captat mai multe etape rapide în reacție, inclusiv un intermediar tiolaldehidic format chiar înainte de crearea inelului β-lactam și un intermediar monociclic β-lactam, reprezentând prima structură în formă de inel pe drumul de formare a scheletului complet al penicilinei. Aceste etape oferă cea mai clară imagine de până acum a modului în care enzima IPNS asamblează scheletul penicilinei.
Lucrarea a arătat, de asemenea, că moleculele de apă din interiorul enzimei joacă un rol cheie în ghidarea reacției. Mișcările subtile din întreaga enzimă ajută la orientarea acestor etape chimice, arătând că atât forma enzimei, cât și chimia sa colaborează pentru a controla formarea penicilinei.
Pentru a captura reacția în timp real, cercetătorii au utilizat un sistem în care mii de picături minuscule conținând microcristale de enzime anaerobe au fost depuse pe o bandă mobilă de 2 mm lățime. Pe măsură ce banda intra într-o cameră plină cu oxigen, oxigenul difuza rapid în cristale și iniția reacția simultan în întreaga mostră. Prin controlul precis al vitezei benzii, cercetătorii au putut determina cât timp a reacționat fiecare cristal înainte de a ajunge în punctul de interacțiune cu razele X, unde un impuls XFEL ultrarapid a înregistrat o imagine de rezoluție atomică.
Combinând mii dintre aceste instantanee, echipa a reușit să construiască un „film molecular” al biosintezei penicilinei, permițând observarea intermediarilor de reacție care există doar pentru fracțiuni de secundă, la rezoluție atomică și în condiții fiziologice de temperatură și presiune, înainte de a dispărea.
Universitatea din Oxford a avut un rol central în istoria penicilinei încă de la lucrările de pionierat ale cercetătorilor care au câștigat Premiul Nobel, care au dezvoltat penicilina în primul antibiotic utilizabil clinic în timpul celui de-al Doilea Război Mondial. Studiul de față se bazează, în cele din urmă, pe cercetarea chimistei care a câștigat Premiul Nobel și care a rezolvat pentru prima dată structura penicilinei în 1945 folosind cristalografia cu raze X.
Pe lângă penicilină, IPNS face parte dintr-o mare familie de enzime oxigenaze dependente de fier implicate în biologia umană, inclusiv cele care ne permit să simțim și să răspundem la schimbările în disponibilitatea oxigenului. Astfel, informațiile mecaniste obținute din acest studiu au implicații care depășesc antibioticele, oferind principii noi pentru ingineria enzimelor și proiectarea catalizatorilor.
Unul dintre autorii lucrării a declarat: „Penicilina a modelat medicina modernă, dar mai sunt multe de învățat despre modul în care natura construiește această structură antibiotică importantă. Prin captarea acestor etape efemere, putem înțelege mai bine cum enzimele controlează chimia complexă cu o precizie remarcabilă.”
„Pe măsură ce ratele de rezistență antimicrobiană continuă să crească, înțelegerea acestui proces ne va ajuta în cele din urmă să facem antibioticele existente mai eficiente și să proiectăm noi structuri antibiotice.”
În prezent, una din șase infecții bacteriene este rezistentă la antibiotice. Creșterea rezistenței amenință decenii de progrese în tratamentele pentru cancer, intervenții chirurgicale de transplant și alte domenii ale medicinei moderne, punând totodată presiune asupra economiilor, sistemelor de sănătate și producției alimentare.
Această informație este importantă deoarece poate influența modul în care gândim despre biosinteza antibioticelor și strategiile viitoare pentru dezvoltarea medicamentelor antibacteriene. Capacitatea de a captura instantanee structurale pe parcursul milisecundelor până la secunde de timp de reacție ne permite să conectăm mișcarea enzimatică, chimia fierului și transferul de protoni mediat de apă. Aceasta ne oferă o viziune mult mai bogată asupra modului în care IPNS controlează o transformare chimică dificilă. Prin înțelegerea acestui proces în detalii atomice, putem începe să ne gândim la ingineria acestor enzime pentru a produce schelete antibiotice noi sau îmbunătățite.
Studiul a reunit expertiză în biologia structurală, spectroscopie, chimie, calcul și inginerie enzimatică, oferind o modalitate puternică de a studia intermediarii chimici efemeri care au fost anterior inaccesibili, atât în biosinteza antibioticelor, cât și în alte reacții enzimatice biologic importante.
Un alt autor al lucrării a afirmat: „Hub-ul XFEL de la Diamond a adus expertiză specializată în metode cu raze X rezolvate în timp și biologia structurală bazată pe XFEL în acest studiu. Colaborând strâns cu colegii noștri din Oxford și de la facilități partenere, am contribuit la aducerea împreună a abordărilor experimentale necesare pentru a captura aceste etape efemere ale catalizei enzimatice.”
