Wie Superbugs Spiegelbilder verwenden, um Antibiotikaresistenzen zu erzeugen

Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus (MRSA) ist eine bakterielle Infektion, die gegen die meisten Antibiotika resistent geworden ist, die zur Behandlung regelmäßiger Staphylokokken-Infektionen verwendet werden. Der Informatiker Bruce Donald von der Duke University und Mitarbeiter der University of Connecticut arbeiten an der Entwicklung neuer Enzyminhibitoren zur Bekämpfung von MRSA. In einer Studie veröffentlicht in PLOS Computational Biologyentdeckte das Team, wie eine einzelne kleine Mutation einen großen Unterschied in der Arzneimittelwirksamkeit ausmacht.

Sie untersuchten Dihydrofolatreduktase (DHFR), ein Enzym, auf das Antibiotika zur Bekämpfung von MRSA abzielen. Medikamente, die DHFR hemmen, funktionieren ein bisschen wie Schlösser und Schlüssel; sie binden an Enzyme in MRSA, die eine spezifische dreidimensionale Struktur haben, die es nur genau passenden Molekülen ermöglicht, sich an sie anzulagern.

Eine Mutation kann die Struktur eines bakteriellen Enzyms verändern und dazu führen, dass Medikamente ihre Wirksamkeit verlieren. Die F98Y-Mutation ist eine bekannte Resistenzmutation. Eine geringfügige Änderung der 98. Aminosäure im DHFR-Enzym wandelt ein Phenylalanin in ein Tyrosin um. „Diese beiden Aminosäuren sind strukturell ähnlich“, sagte Graham Holt, Doktorand im Donald-Labor, „aber die Mutation hat einen großen Einfluss auf die Wirksamkeit der Inhibitoren.“ Im Wesentlichen ändert es die Sperre.

Pablo Gainza, Ph.D., ehemaliger Doktorand im Donald-Labor, dachte, er sollte in der Lage sein, diese Mutation mit OSPREY vorherzusagen, einer Reihe von Programmen für rechnerstrukturbasiertes Proteindesign, die im Donald-Labor entwickelt wurden. Aber er konnte nicht. Nachdem er Hypothese um Hypothese niedergeschlagen hatte, um herauszufinden, warum er diese Mutation nicht vorhersagen konnte, ging er zurück, um die Ausgangsstruktur zu untersuchen.

„Wir haben uns die Elektronendichtedaten des Kristallographen angesehen und etwas Seltsames gefunden“, sagte Donald. Bei dem Versuch, die Struktur der F98Y-Mutante zu bestimmen, verwendeten Kristallographen ein Computerprogramm, das – ohne ihr Wissen – die Chiralität umkehrte oder ein Spiegelbild des NADPH-Cofaktors erstellte, um eine bessere Übereinstimmung zu erzielen. Die „umgedrehte“ chemische Spezies, die sie durch ihre Analyse entdeckten, existiert unter experimentellen Bedingungen im Labor und plausibel in vivo.

„Mit OSPREY haben wir diese umgedrehte Chiralität entdeckt“, sagte Donald, „von der wir glauben, dass sie auf die F98Y-Mutation zurückzuführen ist.“ Wie bei der 2-Faktor-Authentifizierung scheinen sich die einzelne Enzymmutation und der umgedrehte Cofaktor zusammenzutun, um dem Inhibitor auszuweichen.

Dieses „chirale Ausweichen“ verändert die strukturelle Basis für Widerstand. Aber jetzt wissen Donald und seine Kollegen nicht nur, wie eine einzige kleine Mutation das Schloss verändert hat, sondern auch die Struktur, die sie brauchen, um einen besseren Schlüssel herzustellen – einen besseren Medikamentenhemmer.

„Dies ist das erste Beispiel für ein Enzym, das die Chiralität seines Cofaktors ausnutzt, um seinen Inhibitoren auszuweichen“, sagte Holt. „Jetzt, wo wir dies sehen, wird das dazu beitragen, Computerstrategien zu informieren, um bessere Inhibitoren zu entwickeln.“

Das Donald-Labor zeigte, dass die Vorhersagen von OSPREY durch die Berücksichtigung der umgedrehten Chiralität eng mit experimentellen Messungen der Inhibitorwirksamkeit übereinstimmen. Sie arbeiteten mit Mitarbeitern der University of Connecticut zusammen, die biochemische Experimente durchführten, um die Theorie zu testen und strukturelle Beweise zu liefern.

„Das ist erst der Anfang der Geschichte“, sagte Donald. „Unsere Entdeckung der chiralen Umgehung sollte zu widerstandsfähigeren Inhibitoren führen: bessere Wirkstoffdesigns.“ Im Moment sind die meisten Arzneimitteldesigns reaktiv und warten auf das Auftreten von Resistenzen, was sie immer tun. „Wir hoffen, das Arzneimitteldesign proaktiv gestalten zu können, indem wir unsere Algorithmen verwenden, um Resistenzen zu antizipieren“, sagte Donald.