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Rivelando la struttura di una proteina utilizzata dai batteri per pompare gli antibiotici, un team di ricerca ha progettato una terapia in fase iniziale che sabota la pompa e ripristina l'efficacia degli antibiotici.
Guidato dai ricercatori della New York University, della NYU Grossman School of Medicine e del Laura and Isaac Perlmutter Cancer Center della NYU Langone, il nuovo studio ha utilizzato la microscopia avanzata per "vedere" per la prima volta la struttura di NorA, una proteina che la specie batterica Staphylococcus aureus utilizza per pompare antibiotici ampiamente utilizzati prima che possano ucciderli.
Le pompe di efflusso rappresentano un meccanismo attraverso il quale S. aureus ha sviluppato la resistenza ai fluorochinoloni, un gruppo di oltre 60 antibiotici approvati che include norfloxacina (Noroxin), levofloxacina (Levaquin) e ciprofloxacina (Cipro). I fluorochinoloni sono ora inefficaci contro alcuni ceppi batterici resistenti ai farmaci, tra cui S. aureus resistente alla meticillina (MRSA), una delle principali cause di morte tra i pazienti ospedalizzati quando le infezioni diventano gravi, affermano i ricercatori. Per questo motivo, il settore ha cercato di progettare inibitori della pompa di efflusso, ma i primi tentativi sono stati ostacolati da effetti collaterali.
"Invece di cercare di trovare un nuovo antibiotico, speriamo di rendere gli antibiotici più utilizzati negli ultimi decenni, resi inefficaci dalla resistenza batterica, di nuovo altamente efficaci", afferma l'autore del primo studio Doug Brawley, Ph.D. Ha completato la sua tesi di dottorato nei laboratori degli autori senior Nate Traaseth, Ph.D., professore presso il Dipartimento di Chimica della New York University, e Da-Neng Wang, Ph.D., professore presso il Dipartimento di Biologia Cellulare alla NYU Grossman School of Medicine.
Anticorpi in soccorso
Pubblicato online il 31 marzo sulla rivista Nature Chemical Biology , lo studio si basa sui progressi nello sviluppo della tecnologia degli anticorpi negli ultimi anni. I batteri invasori attivano il sistema immunitario del corpo per produrre molti anticorpi leggermente diversi, proteine modellate per attaccarsi e neutralizzare specifici invasori.
Per il presente studio, il team di ricerca ha utilizzato gli anticorpi per superare una sfida che aveva impedito di analizzare la struttura di NorA. Brawley ha lavorato per anni per mettere a punto le condizioni di espressione e purificazione necessarie per questa analisi, ma la molecola di NorA è compatta e appena rilevabile anche con la microscopia crioelettronica avanzata (crio-EM).
Come soluzione, i ricercatori hanno esaminato un'ampia raccolta di anticorpi sintetici, assemblati dal laboratorio dell'autore senior dello studio Shohei Koide, Ph.D., professore presso il Dipartimento di Biochimica e Farmacologia Molecolare presso la NYU Grossman School of Medicine, per trovare quelli che si attaccava più strettamente a NorA. Attaccando gli anticorpi a NorA, il team ha effettivamente raddoppiato le dimensioni della molecola, il che ha migliorato le immagini crio-EM e ha rivelato per la prima volta la struttura della pompa NorA.
Il lavoro ha anche rivelato il sito in cui l'anticorpo principale del team si è agganciato al NorA, come una chiave in una serratura. Il team è stato sorpreso di scoprire che il punto in cui questo anticorpo si adattava al NorA era lo stesso posto in cui NorA si attacca e rimuove gli antibiotici. Queste osservazioni hanno suggerito che l'anticorpo potrebbe bloccare la pompa, consentire agli antibiotici di rimanere all'interno delle cellule batteriche e interferire con la crescita batterica.
Dalla struttura crio-EM, il team ha anche capito che la parte dell'anticorpo più profondamente incorporata nella cavità di legame di NorA era un peptide corto e ad anello, un segmento di blocchi proteici. "Ci siamo entusiasmati per il fatto che un peptide isolato corrispondente al ciclo di per sé potrebbe inibire NorA", afferma Traaseth. Il team ha scoperto che questo peptide (denominato NPI-1) ha funzionato come un inibitore della pompa di efflusso (EPI) e ha ridotto la crescita di S. aureus resistente agli antibiotici nei piatti con sostanze nutritive (colture) di oltre il 95% ad alte concentrazioni quando combinato con l'antibiotico norfloxacina.
L'analisi strutturale ha anche mostrato che l'EPI ha avuto molte interazioni con i mattoni delle proteine nella tasca strutturale in cui NorA si attacca alle molecole di antibiotici. "Questo rende altamente improbabile che i batteri possano sviluppare resistenza a tale trattamento, perché dovrebbero evolversi casualmente per sconfiggere in qualche modo l'EPI senza togliere la capacità del sito della pompa di efflusso di afferrare gli antibiotici", afferma Wang.
Andando avanti, il team sta lavorando per migliorare il design della propria EPI. Ogni residuo di NPI-1 può essere ottimizzato per una maggiore potenza e per ridurre qualsiasi potenziale effetto collaterale, affermano gli autori. La loro strategia per lo sviluppo di anticorpi sintetici contro pompe di efflusso simili a NorA può aiutare a scoprire EPI contro altri agenti patogeni noti per dipendere dalle pompe, tra cui Streptococcus pneumonia e Mycobacterium tuberculosis.
"La scoperta di questo nuovo modo per inibire l'MRSA dimostra che cinque laboratori di quattro dipartimenti, con competenze complementari in biologia strutturale, ingegneria proteica, chimica dei peptidi e microbiologia, possono collaborare per realizzare ciò che nessuno potrebbe da solo", aggiunge Koide. + Esplora ulteriormente
