Forscher konzentrieren sich darauf, Fehler in der Panzerung von Superbakterien zu finden

In den letzten Jahren kam es zu einem Anstieg bakterieller Krankheitserreger, die Resistenzen gegen Antibiotika entwickelt haben. Ein solcher Superkeim, der Carbapenem-resistente Acinetobacter baumannii (CRAB), tötet in den USA jedes Jahr Hunderte schwerkranke Patienten, meist in Krankenhäusern, indem er Blut-, Lungen- oder Harnwegsinfektionen verursacht, die nicht auf Behandlungen ansprechen.

Daniel Kahne, Higgins-Professor für Chemie und chemische Biologie, hat einen Großteil seiner Karriere damit verbracht, die Physiologie von Bakterien zu studieren und grundlegende Mechanismen aufzudecken, durch die diese Arten gedeihen und Angriffen entgehen.

Sein Labor hat ein besonderes Interesse an gramnegativen Bakterien, zu denen A. baumannii gehört und die sich durch eine undurchlässige Außenmembran auszeichnen, die viele Medikamente nicht passieren können. Die Arbeit seines Teams trägt dazu bei, neue Medikamente zur Bekämpfung dieses Superbakteriums und vielleicht auch anderer zu entwickeln.

„Seit 25 Jahren interessiere ich mich dafür, wie diese äußere Membran aufgebaut ist“, sagte Kahne. „Dort [is] eine Reihe von Proteinmaschinen, die in allen gramnegativen Bakterien, die diese Membran bilden, konserviert sind, und deshalb untersuchen wir jede dieser Maschinen.“

Kahnes Forschung war der Schlüssel zu den Bemühungen von Roche, einem internationalen Biotechnologieunternehmen, das kürzlich einen vielversprechenden klinischen Kandidaten mit Wirksamkeit gegen den CRAB-Superbakterium angekündigt hat. Der Wirkstoff namens Zosurabalpin befindet sich derzeit in klinischen Phase-I-Studien. Im Falle einer Zulassung wäre es die erste neue Behandlung für A. baumannii-Infektionen seit 50 Jahren und könnte eine neue Waffe im Kampf gegen Antibiotikaresistenzen darstellen.

Die gramnegativen Membranen, die Kahne untersucht, sind mit großen, komplexen Glykolipiden, sogenannten Lipopolysacchariden (LPS), übersät, die als Schutzpanzer fungieren. Bakterien sammeln LPS-Moleküle in ihrem Zytoplasma, bevor sie sie zu ihren Außenmembranen transportieren.

Kahne war fasziniert davon, wie Bakterien den Transport von LPS von der Fabrik zum endgültigen Bestimmungsort steuern. Wissenschaftler hatten schon lange vermutet, dass dieser mehrstufige Prozess neue Angriffspunkte für künftige Antibiotika-Medikamente liefern könnte.

Mit Unterstützung der National Institutes of Health war Kahnes Team 2010 das erste einen Mechanismus vorschlagen wie gramnegative Bakterien den Transport bewältigen. Die Forscher beschrieben eine „Trans-Envelope-Brücke“ aus sieben verschiedenen Proteinen und zeigten, dass LPS-Moleküle diese Brücke nutzen, um vom Zytoplasma über eine innere Membran, durch einen wässrigen Raum, der als periplasmatisches Kompartiment bezeichnet wird, und über eine andere Membran zu gelangen. Dann schiebt die Zelle wie ein PEZ-Spender die LPS-Moleküle einzeln heraus, wo sie sich auf der Zelloberfläche ausrichten.

Das Team veröffentlichte mehrere weitere Studien zur Unterstützung seines Brückenmodells und zeigte 2018, dass es die Sieben-Protein-Brücke aus reinen Proteinen in vitro wiederherstellen konnte. In jüngerer Zeit, sie haben berichtet In Natur Mithilfe der Einzelmolekülverfolgung zeigen wir die Brücken, die LPS in lebenden Zellen bilden und transportieren.

In der Zwischenzeit arbeitete Roche an der Entwicklung eines neuen Antibiotikums gegen CRAB-Infektionen. Sie hatten genetische Beweise dafür, dass ihr Medikament A. baumann tötet, indem es die LPS-Transportmaschinerie stört, die Kahnes Labor eingehend untersucht hat und die derzeit kein anderes Medikament auf dem Markt als „tödliches Ziel“ hat. Ende 2020 wandte sich Roche an die Harvard-Forscher, um ihnen dabei zu helfen, dies sicherzustellen.

„Dan ist ein anerkannter Weltmarktführer auf diesem Gebiet, und wir sahen das Potenzial für Synergien zwischen den beiden Teams, um das Ziel und den Wirkmechanismus von Zosurabalpin zu validieren und weitere Einblicke in den grundlegenden biologischen Prozess des LPS-Transports zu gewinnen.“ , sagte Kenneth Bradley, Leiter der Entdeckung von Infektionskrankheiten bei Roche Pharma Research and Early Development.

Zusammen mit Roche-Wissenschaftlern und seinem Mitarbeiter Andrew Kruse, Professor für biologische Chemie und molekulare Pharmakologie an der Harvard Medical School, haben Kahne und sein Team kürzlich ein Paar veröffentlicht Natur Studien berichten über die Erfolgsaussichten von Roche neue Klasse von Antibiotika in der klinischen Entwicklung. Eines der Papiere Einzelheiten zur Verfügung gestellt des LPS-Transport-basierten molekularen Mechanismus des Arzneimittels.

„Es war sehr spannend, alle Werkzeuge nutzen zu können, die die Studenten meiner Gruppe in den letzten zwei Jahrzehnten entwickelt haben, um schnell den Wirkungsmechanismus von Roches Verbindung herauszufinden“, sagte Kahne.

Zu den Werkzeugen gehörten strukturelle, biochemische und genetische Ansätze zur Lösung verwirrender Proteinstrukturen. Karanbir Pahil, Ph.D. entwickelte ein Laborverfahren zur Herstellung großer Mengen reiner Acinetobacter-Transportproteine, deren Komplexität die Arbeit mit ihnen erschwert. Die Forschung ergab den ersten direkten Beweis dafür, dass das Roche-Medikament in diese Komplexe eingreift und die Bakterien abtötet.

Um die molekularen Details zu erfassen, nutzten sie die Kryo-Elektronenmikroskopie, in der Kruses Gruppe über Fachkenntnisse verfügt. Die Technik ist besonders nützlich für die Untersuchung intrinsisch dynamischer Proteine ​​mit mehreren Konformationen. „Dieser sehr komplizierte Transporter fällt eindeutig in diese Kategorie“, sagte Kruse.

Mithilfe von Pahils im Labor gereinigten LPS-Transporterproteinen brachte Morgan Gilman, ein Postdoktorand in Kruses Labor, Pahil bei, wie man Kryo-Elektronenmikroskopiedaten generiert und verarbeitet, mit dem Ziel, die Struktur der Transporterproteine ​​bei der Bindung an Zosurabalpin zu bestimmen.

Gemeinsam zeigten die Labore von Kahne und Kruse, dass der Medikamentenkandidat von Roche den Transport von LPS zur Zelloberfläche stört, indem er an eine Tasche bindet, die einen Teil der Proteinbrücke sowie das LPS-Molekül selbst umfasst. Das Medikament führt dazu, dass sich LPS im falschen Teil der Zelle ansammelt, wodurch das LPS in seinem Transporter „geklemmt“ wird, die Zellmembran geschwächt wird und schließlich die Zelle zerstört wird.

Um die Beweise zu untermauern, lösten Pahil, Gilman und ihr Team insgesamt sieben Proteinstrukturen. „Um gut funktionierende Proteine ​​zu erhalten, war eine umfassende Optimierung der Expressions- und Reinigungsbedingungen erforderlich“, sagte Pahil. Medikamente, die an eine zusammengesetzte Oberfläche binden, die von einer Proteinmaschine und dem Zellmolekül, auf das sie einwirkt, erzeugt werden, seien ungewöhnlich, stellten die Forscher fest.

Zosurabalpin wäre, wenn es von der US-amerikanischen Food and Drug Administration zugelassen würde, das erste Antibiotikum, das auf den LPS-Transportmechanismus abzielt. Im Gegensatz dazu werden die am häufigsten verwendeten Antibiotika, darunter Penicillin und Carbapenem, Beta-Lactam-Antibiotika genannt und wirken, indem sie die Synthese der Bakterienzellwand hemmen. Andere Arten stören die Ribosomen- und Proteinsynthese.

Die Tasche, an die der Roche-Medikamentenkandidat bindet, ist spezifisch für A. baumannii. Den Forschern zufolge gibt es jedoch eine ähnliche Tasche auch in anderen gramnegativen Bakterien, einschließlich E. coli. Daher sind sie von der Möglichkeit begeistert, dass das Medikament zur Behandlung anderer Krankheitserreger modifiziert werden könnte.

„Wir beginnen, ein ziemlich tiefes Verständnis darüber zu entwickeln, wie viele dieser molekularen Maschinen funktionieren“, sagte Kruse. „Ich denke, das wird bei der Entwicklung von Antibiotika der nächsten Generation unglaublich hilfreich sein.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von veröffentlicht Harvard Gazette, die offizielle Zeitung der Harvard University. Weitere Neuigkeiten zur Universität finden Sie unter Harvard.edu.