Bakterijski enzim histidin kinaza predstavlja obećavajuću metu za razvoj novih klasa antibiotika. No, teško je razviti lijekove koji ciljaju ovaj enzim jer je hidrofobni protein koji gubi strukturu kad se ukloni iz membrane stanice.

Sada je tim pod vodstvom MIT-a pronašao način kako učiniti enzim topljivim u vodi, što bi moglo omogućiti brže ispitivanje potencijalnih lijekova koji bi mogli ometati njegove funkcije.

Znanstvenici su stvorili novu verziju histidin kinaze zamijenivši četiri specifične hidrofobne aminokiseline s tri hidrofilne. I nakon ove značajne promjene, otkrili su da vodotopiva verzija enzima zadržava svoje prirodne funkcije.

Trenutno nijedan postojeći antibiotik ne cilja histidin kinazu, pa bi lijekovi koji ometaju ove funkcije mogli predstavljati novu klasu antibiotika. Takvi kandidati za lijekove su hitno potrebni kako bi se borili protiv rastućeg problema otpornosti na antibiotike.

"Svake godine više od milijun ljudi umire od infekcija otpornih na antibiotike," kaže Shuguang Zhang, glavni istraživač u MIT Media Labu i jedan od vodećih autora nove studije. "Ovaj protein je dobra meta jer je jedinstven za bakterije, a ljudi ga nemaju."

Ping Xu i Fei Tao, oboje profesori na Sveučilištu Shanghai Jiao Tong, također su vodeći autori rada koji je danas objavljen u časopisu Nature Communications. Mengke Li, student na doktoratu na Sveučilištu Shanghai Jiao Tong i bivši gostujući student na MIT-u, glavni je autor rada.

Novi cilj za lijekove
Mnogi proteini koji obavljaju ključne stanične funkcije su ugrađeni u staničnu membranu. Segmenti tih proteina koji prolaze kroz membranu su hidrofobni, što im omogućuje povezivanje s lipidima koji čine membranu. Međutim, nakon što se uklone iz membrane, ovi proteini obično gube svoju strukturu, što otežava njihovo proučavanje ili ispitivanje lijekova koji bi mogli ometati njihove funkcije.

Godine 2018., Zhang i njegovi kolege osmislili su jednostavan način kako pretvoriti te proteine u vodotopive verzije, koje zadržavaju svoju strukturu u vodi. Njihova tehnika poznata je kao QTY kod, prema slovima koja predstavljaju hidrofilne aminokiseline koje se ugrađuju u proteine. Leucin (L) postaje glutamin (Q), izoleucin (I) i valin (V) postaju treonin (T), a fenilalanin (F) postaje tirozin (Y).

Od tada su istraživači demonstrirali ovu tehniku na raznim hidrofobnim proteinima, uključujući antitijela, receptore za citokine i transportere. Ti transporteri uključuju protein koji stanice raka koriste za izbacivanje kemoterapijskih lijekova iz stanica, kao i transportere koje moždane stanice koriste za premještanje dopamina i serotonina u ili iz stanica.

U novoj studiji, tim je prvi put pokazao da se QTY kod može koristiti za stvaranje vodotopivih enzima koji zadržavaju svoju enzimatsku funkciju.

Istraživački tim odlučio se fokusirati na histidin kinazu dijelom zbog njenog potencijala kao mete za antibiotike. Trenutno većina antibiotika djeluje tako što oštećuje stanične stijenke bakterija ili ometa sintezu ribosoma, staničnih organela koje proizvode proteine. Nijedan od njih ne cilja histidin kinazu, važan bakterijski protein koji regulira procese kao što su otpornost na antibiotike i komunikacija između stanica.

Histidin kinaza može obavljati četiri različite funkcije, uključujući fosforilaciju (aktiviranje drugih proteina dodavanjem fosfatne skupine) i defosforilaciju (uklanjanje fosfata). Ljudske stanice također imaju kinaze, ali one djeluju na aminokiseline različite od histidina, pa lijekovi koji blokiraju histidin kinazu vjerojatno neće imati nikakav učinak na ljudske stanice.

Nakon primjene QTY koda za pretvaranje histidin kinaze u vodotopivi oblik, istraživači su testirali sve četiri njene funkcije i otkrili da je protein i dalje sposoban obavljati ih. To znači da se ovaj protein može koristiti u visokoprotočnim ispitivanjima za brzo testiranje ometaju li potencijalni lijekovi neku od tih funkcija.

Stabilna struktura
Koristeći AlphaFold, umjetnu inteligenciju koja može predvidjeti strukture proteina, istraživači su generirali strukturu za svoj novi protein i koristili simulacije molekularne dinamike kako bi istražili kako interagira s vodom. Otkrili su da protein formira stabilizirajuće vodikove veze s vodom, koje mu pomažu zadržati svoju strukturu.

Također su otkrili da ako zamijene samo ukopane hidrofobne aminokiseline u transmembranskom segmentu, protein neće zadržati svoju funkciju. Hidrofobne aminokiseline moraju biti zamijenjene kroz cijeli transmembranski segment, što pomaže molekuli održati strukturne odnose potrebne za normalno funkcioniranje.

Zhang sada planira primijeniti ovaj pristup na metan monooxygenazu, enzim koji se nalazi u bakterijama i može pretvoriti metan u metanol. Vodotopiva verzija ovog enzima mogla bi se raspršiti na mjestima ispuštanja metana, kao što su staje u kojima žive krave ili otapajuća permafrost, pomažući uklanjanju velikog dijela metana, stakleničkog plina, iz atmosfere.

"Ako možemo koristiti isti alat, QTY kod, na metan monooxygenazi, i koristiti taj enzim za pretvorbu metana u metanol, to bi moglo usporiti klimatske promjene," kaže Zhang.

Istraživanje je djelomično financirano od strane Nacionalne prirodoslovne zaklade Kine.

Izvor: Massachusetts Institute of Technology