Метициллин-резистентный золотистый стафилококк (MRSA) — это бактериальная инфекция, которая стала устойчивой к большинству антибиотиков, используемых для лечения обычных стафилококковых инфекций. Компьютерщик из Университета Дьюка Брюс Дональд и его сотрудники из Университета Коннектикута работают над созданием новых ингибиторов ферментов для борьбы с MRSA. В исследовании, опубликованном в PLOS Computational Biology, команда обнаружила, как одна небольшая мутация сильно влияет на эффективность лекарства.
Они изучили дигидрофолатредуктазу (DHFR), фермент, на который нацелены антибиотики для борьбы с MRSA. Лекарства, ингибирующие DHFR, работают как замки и ключи; они связываются с ферментами MRSA, имеющими специфическую трехмерную структуру, которая позволяет прикрепляться к ним только тем молекулам, которые точно подходят.
Мутация может изменить структуру бактериального фермента и привести к потере эффективности лекарств. Мутация F98Y является хорошо известной мутацией резистентности. Небольшое изменение 98-й аминокислоты в ферменте DHFR превращает фенилаланин в тирозин. «Эти две аминокислоты структурно схожи, — сказал Грэм Холт, аспирант лаборатории Дональда, — но мутация оказывает огромное влияние на эффективность ингибиторов». По сути, он меняет замок.
Пабло Гайнза, доктор философии, бывший аспирант лаборатории Дональда, полагал, что сможет предсказать эту мутацию с помощью OSPREY, набора программ для компьютерного проектирования белков на основе структуры, разработанного в лаборатории Дональда. Но он не мог. Отбрасывая гипотезу за гипотезой, чтобы выяснить, почему он не смог предсказать эту мутацию, он вернулся к изучению исходной структуры.
«Мы просмотрели данные кристаллографа об электронной плотности и обнаружили нечто странное», — сказал Дональд. Пытаясь определить структуру мутанта F98Y, кристаллографы использовали компьютерную программу, которая — без их ведома — переворачивала хиральность или создавала зеркальное отображение кофактора НАДФН, чтобы получить лучшее соответствие. «Перевернутые» химические вещества, обнаруженные ими в ходе анализа, существуют в экспериментальных условиях в лаборатории и, вероятно, в естественных условиях.
«Используя OSPREY, мы обнаружили эту перевернутую хиральность, — сказал Дональд, — которая, как мы полагаем, произошла из-за мутации F98Y». Как и при 2-факторной аутентификации, мутация одного фермента и перевернутый кофактор, по-видимому, объединяются, чтобы избежать ингибитора.
Это «хиральное уклонение» изменяет структурную основу сопротивления. Но теперь Дональд и его коллеги знают не только то, как одна небольшая мутация изменила замок, но и структуру, которая им нужна для создания лучшего ключа — лучшего ингибитора лекарств.
«Это первый пример фермента , который использует хиральность своего кофактора, чтобы избежать ингибиторов», — сказал Холт. «Теперь, когда мы видим, как это происходит, это поможет разработать вычислительные стратегии для разработки более эффективных ингибиторов».
Лаборатория Дональда показала, что, принимая во внимание перевернутую хиральность , предсказания OSPREY точно соответствуют экспериментальным измерениям эффективности ингибитора. Они работали с сотрудниками из Университета Коннектикута, которые проводили биохимические эксперименты, чтобы проверить теорию и предоставить структурные доказательства.
«Это только начало истории», — сказал Дональд. «Наше открытие хирального уклонения должно привести к более устойчивым ингибиторам : лучшим конструкциям лекарств». Прямо сейчас большая часть разработки лекарств является реактивной, ожидая возникновения сопротивления, что всегда и происходит. «Мы надеемся сделать разработку лекарств проактивной, используя наши алгоритмы для прогнозирования резистентности», — сказал Дональд.
