Ogni anno negli Stati Uniti, almeno 23, 000 persone muoiono per infezioni causate da batteri resistenti agli antibiotici, secondo i Centri per il controllo e la prevenzione delle malattie.

Utilizzando la modellazione al computer, i ricercatori dei Sandia National Laboratories e dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign stanno aiutando a sviluppare i mezzi per prevenire alcuni di questi decessi.

Un modo in cui i batteri sviluppano resistenza a molti antibiotici diversi è la produzione di pompe che sputano piccole molecole sconosciute, come antibiotici, prima che possano fare danni. I ricercatori hanno scoperto i dettagli di come funziona una pompa antibiotica.

L'obiettivo finale è sviluppare nuovi farmaci per tappare la pompa in modo che non possa sputare antibiotici, magari ripristinando la loro efficacia, disse Susan Rempe, Sandia biofisico computazionale. Lei ha aggiunto, "Ora che abbiamo la struttura della pompa e sappiamo come funziona, gli scienziati possono progettare una molecola che aderisca saldamente al trasportatore. Penso che sia fattibile nel breve termine, forse cinque anni".

Questa ricerca è stata recentemente pubblicata su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Perfezionamento dei dati per determinare la struttura dettagliata della pompa

I ricercatori specifici della pompa hanno studiato, chiamato EmrE, viene da E. coli , batteri comuni che occasionalmente causano intossicazione alimentare. La pompa riconosce e rimuove moderatamente grassi, piccole molecole cariche positivamente, disse Josh Vermaas, un ex studente laureato dell'Illinois il cui lavoro con Rempe è stato sostenuto attraverso il Campus Executive Program di Sandia. Molti antibiotici comuni tra cui streptomicina, la doxiciclina e il cloramfenicolo sono oleosi e carichi positivamente.

Il primo passo è stato determinare una struttura dettagliata della pompa. La struttura di partenza della pompa era molto approssimativa, mancano molti dei dettagli chimici essenziali, e deforme, ha detto Vermaas. Rempe ha aggiunto che può essere particolarmente difficile ottenere buoni dati strutturali dei trasportatori di farmaci come EmrE perché sono flessibili. Immagina di dover scattare una foto di un bambino che si contorce con una fotocamera lenta:la foto risultante è più una sfocatura che una somiglianza esatta.

Hanno combinato dati sperimentali da una varietà di metodi biofisici comuni come la cristallografia a raggi X, crio-microscopia elettronica e spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica nonché decenni di conoscenza delle disposizioni interne più probabili degli amminoacidi, gli elementi costitutivi delle proteine, per produrre una struttura ad alta risoluzione della pompa.

"Il grande passo avanti è stato il modo in cui potevamo prendere dati strutturali scadenti dagli esperimenti e massaggiarli per ottenere una struttura migliorata con cui potevamo lavorare per comprendere il meccanismo della pompa, " disse Rempe.

La modellazione molecolare rivela il "blocco" e il meccanismo della pompa

Una volta che avevano la struttura dettagliata della pompa, iniziò il vero lavoro.

Primo, il team ha aggiunto una membrana lipidica per modellare l'ambiente reale della pompa. Quindi, hanno eseguito simulazioni al computer per vedere come appare la pompa con zero, uno o due protoni. Lasciando entrare due protoni è la batteria che alimenta questa pompa. Hanno eseguito simulazioni per vedere la transizione dalla proteina rivolta verso l'interno del batterio verso l'esterno al fine di trovare il percorso "più semplice" e quindi vedere come funziona la pompa. La modellazione di questo "capovolgimento" ha richiesto oltre 80, 000 ore di elaborazione informatica.

Hanno anche eseguito simulazioni per vedere come appare la pompa con un farmaco di esempio nella tasca del farmaco. Rempe ha detto di aver trovato molta flessibilità nella tasca in cui gli antibiotici si sarebbero legati, il che ha senso dato che la pompa può riconoscere un'ampia varietà di farmaci. Hanno anche identificato alcuni amminoacidi critici che fungono da blocco per assicurarsi che la pompa non rilasci i protoni volenti o nolenti.

"La resistenza agli antibiotici è un problema importante. Il 'blocco' sulla pompa è ciò che fa funzionare questo trasportatore. Con questa conoscenza, in futuro possiamo sviluppare nuovi antibiotici che non vengono pompati o altrimenti rompere il blocco in EmrE, " disse Vermaas. "Se scopriamo come rompere la pompa in modo che non sia regolata e perda protoni, sarebbe un nuovo modo per uccidere i batteri".

Ulteriori ricerche sulla lotta alla resistenza antimicrobica

Oltre al suo lavoro sulle pompe antibiotiche, Rempe ha anche modellato una proteina che trasporta le tossine dell'antrace nelle cellule ospiti dove provocano il caos, permettendo ai batteri Bacillus anthracis di prosperare e causare l'antrace. Rempe e i suoi collaboratori, tra cui Sandia postdoc Mangesh Chaudhari, ha determinato i meccanismi molecolari di come queste tossine si fanno strada nella cellula ospite e ha sviluppato un tappo per bloccare questo processo. Il bioingegnere di Sandia Anson Hatch ha guidato un team che ha realizzato e testato la spina.

In un progetto triennale finanziato dal programma Laboratory Directed Research &Development (LDRD) di Sandia, Rempe sta anche conducendo studi su un nuovo antimicrobico chiamato teixobactina. La teixobactina blocca la produzione della parete cellulare batterica in un modo unico a cui è difficile per i batteri sviluppare resistenza. Lei e i suoi collaboratori di Sandia e dell'Illinois stanno usando simulazioni al computer ed esperimenti per capire come funziona l'antimicrobico per renderlo più potente e ad ampio raggio. Hanno pubblicato i loro risultati iniziali in Scienze chimiche , rivelando due modi in cui il farmaco si attacca a molecole di grasso specializzate nelle membrane batteriche. Il legame ostacola la costruzione delle pareti cellulari protettive dei batteri.

Sebbene sia difficile per i batteri gram-positivi, come Staphylococcus aureus, per cambiare il modo in cui costruiscono la loro parete cellulare per sviluppare resistenza alla teixobactina, l'antimicrobico può ancora essere pompato fuori dai batteri prima che faccia il suo danno, rendere rilevante la ricerca di Rempe e Vermaas per comprendere il meccanismo delle pompe antibiotiche.

Remp ha detto, "La modellazione della dinamica molecolare ha una risoluzione molto elevata nello spazio e nel tempo, che non ottieni da altri esperimenti. Possiamo vedere le dinamiche nel tempo con incrementi di un milionesimo di un miliardesimo di secondo. Possiamo anche vedere frammenti di un processo che non viene risolto negli esperimenti e determinare quali strutture chimiche contribuiscono al lavoro coinvolto. Questo ci dà un vantaggio nell'imparare come funzionano gli agenti patogeni, e che le informazioni possono portare a nuove terapie per contrastare questi agenti patogeni".