Lo Staphylococcus aureus resistente alla meticillina (MRSA) è un'infezione batterica che è diventata resistente alla maggior parte degli antibiotici usati per trattare le normali infezioni da stafilococco. Bruce Donald, scienziato informatico della Duke University, e collaboratori dell'Università del Connecticut stanno lavorando per sviluppare nuovi inibitori enzimatici per combattere l'MRSA. Nella ricerca pubblicata su PLOS Computational Biology , il team ha scoperto come una singola piccola mutazione faccia una grande differenza nell'efficacia del farmaco.

Hanno esaminato la diidrofolato reduttasi (DHFR), un enzima che gli antibiotici prendono di mira per combattere l'MRSA. I farmaci che inibiscono il DHFR funzionano un po' come serrature e chiavi; si legano agli enzimi in MRSA, che hanno una struttura tridimensionale specifica che consente solo alle molecole che si adattano con precisione di attaccarsi a loro.

Una mutazione può modificare la struttura di un enzima batterico e far perdere efficacia ai farmaci. La mutazione F98Y è una mutazione di resistenza ben nota. Un leggero cambiamento nel 98° amminoacido nell'enzima DHFR trasforma una fenilalanina in una tirosina. "Questi due amminoacidi sono strutturalmente simili", ha detto Graham Holt, studente laureato nel laboratorio Donald, "ma la mutazione ha un enorme effetto sull'efficacia degli inibitori". In sostanza, cambia la serratura.

Pablo Gainza, Ph.D., ex studente laureato nel laboratorio Donald, pensava di dover essere in grado di prevedere questa mutazione utilizzando OSPREY, una suite di programmi per la progettazione di proteine ​​basate sulla struttura computazionale sviluppata nel laboratorio Donald. Ma non poteva. Dopo aver buttato giù ipotesi dopo ipotesi per capire perché non fosse in grado di prevedere questa mutazione, è tornato ad esaminare la struttura di partenza.

"Abbiamo esaminato i dati sulla densità elettronica del cristallografo e abbiamo trovato qualcosa di strano", ha detto Donald. Nel tentativo di determinare la struttura del mutante F98Y, i cristallografi hanno utilizzato un programma per computer che, a loro insaputa, ha capovolto la chiralità, o ha creato un'immagine speculare, del cofattore NADPH per ottenere una migliore vestibilità. Le specie chimiche "capovolte" che hanno scoperto attraverso la loro analisi esistono in condizioni sperimentali in laboratorio e plausibilmente in vivo.

"Usando OSPREY, abbiamo scoperto questa chiralità capovolta", ha detto Donald, "che crediamo sia avvenuta a causa della mutazione F98Y". Come nell'autenticazione a 2 fattori, la singola mutazione enzimatica e il cofattore capovolto sembrano cospirare insieme per eludere l'inibitore.

Questa "evasione chirale" cambia la base strutturale della resistenza. Ma ora Donald e colleghi sanno non solo come una singola piccola mutazione ha cambiato la serratura, ma anche la struttura di cui hanno bisogno per creare una chiave migliore, un migliore inibitore del farmaco.

"Questo è il primo esempio di un enzima che sfrutta la chiralità del suo cofattore per eludere i suoi inibitori", ha detto Holt. "Ora che lo vediamo accadere, ciò aiuterà a informare le strategie computazionali per sviluppare inibitori migliori".

Il laboratorio Donald ha dimostrato che, tenendo conto della chiralità capovolta, le previsioni di OSPREY corrispondono strettamente alle misurazioni sperimentali della potenza dell'inibitore. Hanno lavorato con i collaboratori dell'Università del Connecticut che hanno condotto esperimenti biochimici per testare la teoria e fornire prove strutturali.

"Questo è solo l'inizio della storia", ha detto Donald. "La nostra scoperta dell'evasione chirale dovrebbe portare a inibitori più resilienti:migliori modelli di farmaci". In questo momento, la maggior parte della progettazione di farmaci è reattiva, in attesa che sorgano resistenze, cosa che accade sempre. "Speriamo di rendere proattiva la progettazione di farmaci, utilizzando i nostri algoritmi per anticipare la resistenza", ha affermato Donald.