Albicidin, amelyet a Klebsiella pneumoniae baktériumok céloznak meg
A rezisztens Klebsiella pneumoniae baktériumok befoghatják és inaktiválhatják az albicidin antibiotikumot az AlbA fehérje segítségével.
A hagyományos antibiotikumok egyre inkább elveszítik hatékonyságukat az egyre gyakoribb multirezisztens csírákkal szemben. Számos baktérium természetes módon szerzett mechanizmusokat, amelyek megvédik őket a káros anyagoktól. Ez a helyzet az albicidin hatóanyaggal szemben is: a veszélyes gram-negatív baktériumok olyan fehérjével rendelkeznek, amely megköti az albicidint, és így inaktiválja azt.
A Helmholtz Infekciókutató Központ (HZI) és a hozzá tartozó Saarlandi Helmholtz Gyógyszerészeti Kutató Intézet (HIPS) tudósai most atomfelbontással vizsgálták ezt az ellenállási mechanizmust. Megtudták, hogy a fehérje nemcsak megköti a hatóanyagot, hanem kémiailag is megváltoztatja. Ugyanakkor növeli saját termelését, így az albicidin még hatékonyabban válik ártalmatlanná. A tudósok közzétették eredményeiket a Journal of the American Chemical Society folyóiratban.
Az AlbA fehérjemolekula az albicidin antibiotikumhoz kötődik, és megvédi a baktériumokat a hatásaitól
A kórokozó baktériumok különféle mechanizmusokat fejlesztettek ki az antibiotikumok elleni védelem érdekében. Egyesek egyszerűen kiválasztják a rájuk mérgező anyagokat, mások megváltoztatják a sejtfalukat, így az antibiotikumok még be sem hatolhatnak rájuk. Néhány csíra megváltoztatja az antibiotikumok által megtámadott célstruktúrát - vagy egyszerűen az antibiotikumot közvetlenül. A Klebsiella nemzetség baktériumai például egy másik trükköt alkalmaznak: Van egy AlbA nevű fehérjemolekulájuk, amely az albicidin antibiotikumhoz kötődik, és így megvédi a kórokozókat annak hatásaitól. A Helmholtzi Fertőzéskutató Központ (HZI), a Helmholtzi Gyógyszerkutató Intézet Saarland (HIPS) tudósai - a HZI létesítménye a Saarlandi Egyetemmel (UdS) együttműködve - és a Német Fertőzéskutató Központ (DZIF) védelmi mechanizmusa van ) megvizsgálták.
A Klebsiella pneumoniae az egyik leggyakoribb kórokozó, amely bakteriális szepszist és kórházi tüdőgyulladást okoz. Ezen kívül például húgyúti fertőzéseket is okozhat. A Klebsiae gram-negatív baktérium, amelyet nehéz kezelni, és gyakran kialakul rezisztencia számos antibiotikummal szemben. A HZI tudósai már felfedeztek egy új, rendkívül hatékony hatóanyag-osztályt a gram-negatív csírákkal szemben: a cisztobaktamidokat. "Ez az anyagosztály hasonlít az albicidinhez, amellyel számos Klebsiella törzs már ellenállást mutat" - mondja Jesko Köhnke junior professzor, aki a HIPS "Bioszintetikus enzimek strukturális biológiája" junior kutatócsoportjának az élén áll. "Szerettük volna megtudni, hogy az AlbA fehérje hatékony-e a cisztobaktamidokkal szemben is, ezért molekuláris szinten elemeztük az albicidin rezisztencia mechanizmusát."
Az AlbA kémiailag megváltoztatja a megkötött albicidint is
Ebből a célból egy interdiszciplináris tudóscsoport gyűlt össze Jesko Köhnke körül, amelyben Mark Brönstrup professzor tanszéke végezte el a szintézist, Prof. Olga Kalinina munkacsoport bioinformatikát, Prof. Rolf Müller tanszék pedig tevékenységi teszteket és gén expressziós profilokat. Először az AlbA fehérje és a megkötött albicidin háromdimenziós szerkezetét röntgenszerkezeti elemzéssel megfejtették. A tudósok észrevették, hogy az evolúció során az antibiotikum kicsi kötő zsebéből hosszú alagút lett, amelybe az albicidin pontosan illeszthető.
A strukturális elemzés egy másik elképesztő eredményt is szolgáltatott: a megkötött albicidint kémiailag megváltoztatták. „Eredetileg azt feltételeztük, hogy az AlbA egyszerűen felszívja az albicidint - mint egy szivacs a vizet - és így ideiglenesen eltávolítja. De most kiderült, hogy ez még az albicidint is megváltoztatja ”- mondja Köhnke. További kísérletek kimutatták, hogy a módosított albicidin aktivitása gyengébb, vagyis kevésbé káros a baktériumokra.
Az AlbA sokkal gyengébben kötődik a cisztobaktamidhoz
A tudósok felfedezték, hogy az antibiotikum kötődési helyén kívül az AlbA rendelkezik a DNS-sel is. Ezzel a szakaszsal meg tud kötődni a baktérium sejt genetikai anyagához - pontosan ott, ahol az AlbA termelését ellenőrzik. A Klebsiella pneumoniae-val végzett laboratóriumi kísérletek során Jesko Köhnke csapata be tudta bizonyítani, hogy albicidin beadásakor az AlbA tervrajzával ellátott gént négyszer elteltével 3000-szer gyakrabban olvasták, mint antibiotikumok nélkül. „A Klebsiella mechanizmusa az albicidin ellen rendkívül hatékony: Ha kapcsolatba kerül vele, akkor az első hatóanyag-molekulákat az AlbA fehérjéjükkel megragadja. Ugyanakkor egyre több AlbA-t gyártanak. Megmutattuk azt is, hogy ezek a mechanizmusok még nem elegendőek az ellenálláshoz, amelyet most alaposabban meg akarunk vizsgálni. ”- mondja Köhnke.
Összehasonlító kísérletek kimutatták, hogy a rokon hatóanyagot, a cisztobaktamidot sokkal kevésbé erősen köti az AlbA. Ezenkívül a cisztobaktamid nem segíti elő az AlbA termelését, így a Klebsiella még nem tudta elérni a cisztobaktamiddal szembeni rezisztenciát ezzel a mechanizmussal. „Mindazonáltal a baktériumok ellenállnak a cisztobaktamidnak. Ezért szeretnénk a lehető legpontosabban tisztázni a mechanizmusokat, hogy ezután olyan hatóanyagokat tudjunk kifejleszteni, amelyek megkerülik az ellenállást ”- mondja Köhnke.
Asfandyar Sikandar, Katarina Cirnski, Giambattista Testolin, Carsten Volz, Mark Brönstrup, Olga V. Kalinina, Rolf Müller és Jesko Koehnke. Az AlbA felépítése és működése által feltárt bakteriális multirezisztens rendszer adaptálása. J. Am. Chem. Soc. 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b08895