Studiul evidențiază eficiența colagenazei bacteriene în degradarea colagenului
Colagenul este o proteină esențială care contribuie la formarea țesuturilor la oameni și animale. Aceasta are o structură robustă, fiind compusă din trei fire de proteină răsucite strâns, asemănătoare unei frânghii. Din cauza acestei construcții solide, enzimele obișnuite de degradare a proteinelor nu reușesc să o descompună.
Cu toate acestea, anumite bacterii patogene pot distruge acest colagen dur prin eliberarea unei enzime de digestie a colagenului, numită colagenază bacteriană. Aceasta permite bacteriilor să degradeze țesuturile și să răspândească infecția rapid. În același timp, această enzimă are aplicații medicale datorită capacității sale de a descompune structura de colagen care înconjoară celulele.
Un exemplu de utilizare este transplantul de insule pancreatice pentru tratamentul diabetului, când celulele producătoare de insulină dintr-un pancreas sunt introduse în ficat pentru a izola celulele țintă de țesuturile donatorului. De asemenea, este utilizată terapeutic în condiții fibrotice, cum ar fi contractura Dupuytren, în care se formează cordoane bogate în colagen în mână, ducând la contracția degetelor. Colagenaza poate ajuta la descompunerea colagenului în exces, crescând mobilitatea.
O echipă internațională de cercetare, care include Universitatea din Arkansas și mai multe universități japoneze (Universitatea Osaka, Universitatea Okayama, Universitatea de Științe ale Sănătății Ehime, Universitatea Waseda), a dezvăluit în jurnalul Nature Communications cum această enzimă bacteriană degradează continuu colagenul. Cercetătorii au analizat structura și dinamica enzimei ColH la nivel atomic și au elucidat mecanismul care stă la baza eficienței sale în degradarea colagenului. Aceste descoperiri sunt așteptate să permită proiectarea rațională și îmbunătățirea enzimelor recombinante și să susțină o gamă largă de aplicații în transplanturi și medicină regenerativă.
Echipa de la U of A a fost condusă de Josh Sakon. Acesta colaborează cu Osamu Matsushita de la Universitatea Okayama de mai bine de 30 de ani. În anii 1990, Matsushita și colegii săi au identificat și denumit două gene de colagenază (colG și colH). Pe baza acestor descoperiri, au fost dezvoltate enzime recombinante, care au fost ulterior comercializate de mai multe companii de biotehnologie. Totuși, mecanismul prin care aceste enzime degradează eficient colagenul a rămas neclar.
Sakon consideră că înțelegerea acestui mecanism ar putea conduce la dezvoltarea unor terapii mai eficiente. Unele celule canceroase, a subliniat el, pot fi acoperite cu straturi groase de colagen, asemănătoare unui scut proteic. Ca terapie potențială, colagenaza ar putea fi utilizată pentru a „îndepărta scutul de apărare al cancerului, astfel încât celulele să devină mai vulnerabile la atacul medicamentelor chimioterapice.”
Colagenul triplu-helicoidal a evoluat acum aproximativ un miliard de ani, jucând un rol esențial în formarea organismelor multicelulare prin facilitarea aderenței celulelor. Structura sa strâns răsucită protejează legăturile peptidei proteinei de a fi ușor tăiate de enzime. A fost nevoie ca bacteriile să evolueze timp de sute de milioane de ani pentru a dezvolta enzime capabile să descompună această structură.
Enzima are o formă asemănătoare unei gogoși. O parte din acest inel se poate deschide și închide, permițând moleculei de colagen să intre în interiorul enzimei. Cercetătorii numesc aceasta forma dinamică.
În continuare, enzima îndepărtează moleculele de apă din jurul colagenului și slăbește structura strâns răsucită a acestuia. Apoi, menține cele trei fire de colagen în poziții separate în interiorul inelului, fiind denumită forma cu dinte de ratchet.
În acest punct, unul dintre cele trei fire este tras afară într-o mică buclă și poziționat în situl activ al enzimei – zona în care are loc reacția chimică. Enzima trage firul înainte înainte de a tăia, permițându-i să avanseze pas cu pas de-a lungul colagenului. Pe măsură ce avansează, celelalte două fire acționează ca șine care ghidează enzima pe molecula de colagen.
După ce se efectuează o tăietură, enzima pare să revină la forma dinamică, să se mute în următoarea poziție și să înceapă următorul ciclu de tăiere. Cu alte cuvinte, această colagenază bacteriană pare să funcționeze ca un mecanism de ratchet: odată ce înaintează, nu alunecă înapoi cu ușurință. Prin repetarea acestui proces, ea se deplasează într-o singură direcție de-a lungul moleculei de colagen și o taie pas cu pas.
Sakon a comentat: „exact așa cum arte marțiale precum judo și aikido folosesc forța unui adversar pentru a câștiga avantaj, acest studiu dezvăluie că colagenaza bacteriană exploatează structura intrinsecă a colagenului pentru a-și conduce degradarea.”
De asemenea, Sakon a menționat că în cazurile de gangrenă gazoasă, care se contractează de la bacterii care trăiesc în sol, enzima poate distruge până la un inch de țesut pe oră.
Acest mecanism este complet diferit de modul în care colagenul este descompus de enzimele de digestie a colagenului la oameni și animale. Descoperirea este interesantă dintr-un punct de vedere evolutiv și ar putea ajuta la avansuri viitoare în medicina de transplant și tratamentul bolilor infecțioase.
