Der Datensatz revolutioniert das Verständnis von Beta-Fässern und verspricht vielversprechende Ziele für die Impfstoffentwicklung

Beispiele für Infektionen im Zusammenhang mit gramnegativen Bakterien sind nach Angaben der Centers for Disease Control and Prevention Lungenentzündung, Blutkreislaufinfektionen, Wundinfektionen und Meningitis.

Wissenschaftler haben sich auf röhrenförmige „Außenmembranproteine“ konzentriert, die in bestimmten Arten gramnegativer Bakterien vorkommen und für die Entwicklung von Impfstoffen gegen eine Reihe solcher Infektionen, von denen einige zunehmende Arzneimittelresistenzen aufweisen, von entscheidender Bedeutung sein könnten. Diese Außenmembranproteine ​​nehmen oft eine röhrenförmige Form an, die als Betafässer bekannt ist und ein großes Potenzial als Impfstoffziele haben.

Jetzt haben Forscher der University of Kansas einen neuen und aussagekräftigen Datensatz erstellt, der Licht auf verschiedene Arten von Betafässern sowie ihre evolutionären Beziehungen wirft, um die Arzneimittelentwicklung zu erleichtern. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Laut Co-Autorin Joanna Slusky, außerordentliche Professorin für Molekulare Biowissenschaften und Computerbiologie an der KU, die die Forschung in ihrem Labor beaufsichtigte, ermöglicht das neue Verständnis von Beta-Fässern neue Wege der wissenschaftlichen Forschung sowie der Arzneimittelentwicklung.

„Außenmembranproteine ​​befinden sich in der Außenmembran gramnegativer Bakterien, und alle diese Membranproteine ​​nehmen eine Beta-Fass-Struktur an und teilen eine gemeinsame Grundtopologie“, sagte Slusky. „Die äußere Membran spielt wesentliche Rollen, einschließlich Nährstoffimport, Toxinexport, Adhäsion, enzymatische Aktivität und Umweltanpassung, die alle von diesen Proteinen der äußeren Membran gesteuert werden.“

Der Ansatz des Slusky-Teams zur Erstellung des neuen Datensatzes unterschied sich von früheren Bemühungen, die nur darauf abzielten, Verwandte bekannter Außenmembranproteine ​​zu katalogisieren. Die neue Methode mit dem Namen „IsItABarrel“ hat mehr als 270.000 bisher nicht identifizierte Außenmembranproteine ​​​​entdeckt, die für Impfstoffforscher interessant sein könnten. Sluskys Gruppe hat habe die Datenbank online gestellt um solche Arbeiten zu ermöglichen.

„Wir erkannten ihre gemeinsame Beta-Fass-Charakteristik als charakteristische Form und entwickelten einen Algorithmus, der etwa 1,9 Millionen Exemplare dieser Proteine ​​lieferte“, sagte Slusky. „Von da an gruppieren wir sie in verschiedene Gruppen. Die vorherrschende Gruppe macht etwa 1,4 Millionen Exemplare aus. Dann fällt ein erheblicher Teil, etwa 500.000 Exemplare, in verschiedene andere Gruppen. Dies deutet darauf hin, dass die Natur diese Faltung mehrmals unabhängig voneinander entwickelt hat.“

Während das Slusky-Labor und andere zuvor zwei oder drei Fälle entdeckt hatten, in denen die Proteinentwicklung auf die Beta-Fass-Form konvergierte, hat das KU-Team nun 11 unabhängige Fälle dieses Vorkommens bei verschiedenen Bakterientypen identifiziert.

„Unsere erste Untersuchung ergab, dass mehr Bakterien über diese Art von Protein verfügten als erwartet, darunter auch solche, die zuvor unterrepräsentiert waren“, sagte Slusky. „Darüber hinaus beobachteten wir ein erhöhtes Vorkommen von Transmembran-Betafässern in Bakterien, von denen wir bereits wussten, dass sie über diese Proteine ​​verfügen. Unsere Konfidenzmetriken zeigen minimale falsch-positive Ergebnisse sowie vergleichbare falsch-negative Ergebnisse mit anderen Methoden. Dies bestätigt die Zuverlässigkeit unseres Algorithmus.“

Die Untersuchung des Slusky-Labors ergab außerdem, dass viele Proteine ​​das charakteristische „Fasssignal“ oder Sequenzen von Aminosäuren aufweisen, von denen seit langem bekannt ist, dass sie sich in die Fassform falten, andere Arten von Proteinen jedoch Fasszeichen aufweisen, die bis zur Analyse des Teams mit „IsItABarrel“ unbekannt waren. “

„Dieses Sequenzmotiv spielt eine entscheidende Rolle bei der Erleichterung sowohl der Insertion als auch der Faltung von Proteinen innerhalb der Membran“, sagte der KU-Forscher. „Das allgemein anerkannte Motiv ist ausschließlich in den prototypischen Betafässern vorhanden. Umgekehrt weisen alternative Proteine ​​völlig andere Motive auf, die zur Bildung unterschiedlicher Fassgruppen innerhalb der Membran führen. Diese Entdeckung liefert eine zusätzliche Untermauerung für das Konzept der unabhängigen Evolution unterstreicht auch die Grenzen unseres Verständnisses des Faltungsprozesses dieser anderen Proteine.“

Slusky sagte, die Entdeckung, dass Bakterien mithilfe neuer Sequenzmotive von Aminosäuren Betafässer herstellen können, sollte viele neue Forschungsrichtungen anstoßen.

„Verwenden sie denselben Faltungsmechanismus wie die oben genannten Proteine ​​oder verfolgen sie einen völlig anderen Ansatz?“ Sie sagte. „Es bleibt ungewiss, ob diese Proteine ​​einen ähnlichen Mechanismus für die Insertion verwenden, möglicherweise mit Hilfe eines bestimmten Proteins. Alternativ könnte ihr Insertionsprozess grundsätzlich unterschiedlich sein. Endgültige Antworten auf diese Fragen stehen noch aus.“

Sluskys Mitarbeiter an der Arbeit waren der Hauptautor Daniel Montezano, ein Postdoktorand der KU, sowie die Co-Autoren Rebecca Bernstein, eine High-School-Forscherin, und Matthew Copeland, Forschungsingenieur am Computational Biology Program der KU.