Bakterijų fermentas histidino kinazė yra perspektyvus taikinys naujoms antibiotikų klasėms. Tačiau buvo sunku sukurti vaistus, skirtus šiam fermentui, nes jis yra „hidrofobinis“ baltymas, kuris praranda savo struktūrą, kai yra pašalinamas iš įprastos vietos ląstelės membranoje.
Dabar MIT vadovaujama komanda rado būdą, kaip šį fermentą paversti tirpiu vandenyje, o tai leistų greitai ištirti potencialius vaistus, galinčius sutrikdyti jo funkcijas.
Ką pavyko sukurti mokslininkams?
Mokslininkai sukūrė naują histidino kinazės versiją, pakeisdami keturias konkrečias hidrofobines aminorūgštis trimis hidrofilinėmis. Net ir po šio reikšmingo pokyčio jie nustatė, kad vandenyje tirpi fermento versija išlaikė savo natūralias funkcijas.
Jokie esami antibiotikai nėra nukreipti į histidino kinazę, todėl vaistai, sutrikdantys šias funkcijas, galėtų tapti nauja antibiotikų klase. Tokių vaistų kandidatų labai reikia kovojant su didėjančia atsparumo antibiotikams problema.
„Kasmet nuo antibiotikams atsparių infekcijų miršta daugiau kaip 1 mln. žmonių,“ – sako MIT žiniasklaidos laboratorijos vyriausiasis mokslininkas ir vienas iš naujojo tyrimo autorių Shuguangas Zhangas. „Šis baltymas yra geras taikinys, nes jis būdingas tik bakterijoms, o žmonės jo neturi.“
Naujas vaistų „taikinys“
Daugelis baltymų, atliekančių svarbiausias ląstelės funkcijas, yra įterpti į ląstelės membraną. Šių baltymų segmentai, apimantys membraną, yra hidrofobiški, todėl jie gali jungtis su membraną sudarančiais lipidais. Tačiau, pašalinus šiuos baltymus iš membranos, jie praranda savo struktūrą, todėl juos sunku tirti arba ieškoti vaistų, kurie galėtų jiems trukdyti.
2018 m. Zhangas ir jo kolegos sukūrė paprastą būdą, kaip šiuos baltymus paversti vandenyje tirpstančiomis versijomis, kurios išlaiko savo struktūrą vandenyje.
Jų metodas žinomas kaip QTY kodas, pagal raides, žyminčias hidrofilines aminorūgštis, kurios įtraukiamos į baltymus.
Leucinas (L) tampa glutaminu (Q), izoleucinas (I) ir valinas (V) – treoninu (T), o fenilalaninas (F) – tirozinu (Y).
Nuo to laiko mokslininkai šį metodą pademonstravo įvairiems hidrofobiniams baltymams, įskaitant antikūnus, citokinų receptorius ir transporterius, tirti. Šie transporteriai apima baltymą, kurį vėžio ląstelės naudoja chemoterapijos vaistams išpumpuoti iš ląstelių, taip pat transporterius, kuriuos smegenų ląstelės naudoja dopaminui ir serotoninui perkelti į ląsteles arba iš jų.
Naujajame tyrime komanda siekė pirmą kartą įrodyti, kad QTY kodas gali būti naudojamas vandenyje tirpiems fermentams, kurie išlaiko savo fermentinę funkciją, sukurti.
Tyrėjų komanda nusprendė sutelkti dėmesį į histidino kinazę iš dalies dėl jos, kaip taikinio antibiotikams, potencialo.
Šiuo metu dauguma antibiotikų veikia pažeisdami bakterijų ląstelių sieneles arba trikdydami ribosomų – ląstelės organelių, gaminančių baltymus – sintezę. Nė vienas iš jų nėra nukreiptas į histidinkinazę – svarbų bakterijų baltymą, kuris reguliuoja tokius procesus kaip atsparumas antibiotikams ir ląstelių tarpusavio ryšys.
Histidinkinazė gali atlikti keturias skirtingas funkcijas, įskaitant fosforilinimą (kitų baltymų aktyvinimą pridedant jiems fosfatinę grupę) ir defosforilinimą (fosfatų pašalinimą).
Žmogaus ląstelės taip pat turi kinazių, tačiau jos veikia ne histidino aminorūgštis, todėl vaistai, blokuojantys histidino kinazę, greičiausiai neturės jokio poveikio žmogaus ląstelėms.
Panaudoję QTY kodą histidino kinazei paversti vandenyje tirpia forma, tyrėjai išbandė visas keturias jos funkcijas ir nustatė, kad baltymas vis dar gali jas atlikti. Tai reiškia, kad šis baltymas galėtų būti naudojamas didelio našumo atrankiniuose ekranuose, siekiant greitai patikrinti, ar potencialūs vaistų junginiai netrukdo kuriai nors iš šių funkcijų.
Stabili struktūra
Naudodamiesi dirbtinio intelekto programa „AlphaFold“, kuri gali numatyti baltymų struktūras, mokslininkai sukūrė savo naujojo baltymo struktūrą ir, naudodami molekulinės dinamikos modeliavimą, ištyrė, kaip jis sąveikauja su vandeniu. Jie nustatė, kad baltymas su vandeniu sudaro stabilizuojančius vandenilinius ryšius, kurie padeda baltymui išlaikyti savo struktūrą.
Jie taip pat nustatė, kad pakeitus tik hidrofobines aminorūgštis transmembraniniame segmente, baltymas neišlaikytų savo funkcijos. Hidrofobinės aminorūgštys turi būti pakeistos visame transmembraniniame segmente, o tai padeda molekulei išlaikyti struktūrinius ryšius, reikalingus normaliam funkcionavimui.
Dabar Zhangas planuoja išbandyti šį metodą su metano monooksigenazė – bakterijose randamu fermentu, kuris metaną gali paversti metanoliu.
Vandenyje tirpią šio fermento versiją būtų galima purkšti metano išsiskyrimo vietose, pavyzdžiui, tvartuose, kuriuose gyvena karvės, arba tirpstančiame amžinajame įšale, taip padedant iš atmosferos pašalinti didelę dalį metano – šiltnamio efektą sukeliančių dujų.
„Jei tą patį įrankį, QTY kodą, panaudosime metano monooksigenazėje ir panaudosime šį fermentą metanui paversti metanoliu, tai galėtų paspartinti klimato kaitą“, – sako Zhangas.
QTY metodas taip pat galėtų padėti mokslininkams daugiau sužinoti apie tai, kaip signalus perduoda transmembraniniai baltymai, sako tyrime nedalyvavęs Kalifornijos universiteto San Franciske farmacijos chemijos profesorius Viljamas DeGrado.
„Tai didelė pažanga, kai galime pagaminti funkciškai svarbius, vandenyje ištirpintus baltymus“, – sako DeGrado. „Svarbus klausimas – kaip signalai perduodami per membranas, o šis darbas suteikia naują būdą šiam klausimui spręsti.“
