В статье, опубликованной в PLOS ONE Университета Северной Каролины в Шарлотте, старший специалист по биологии Дженна Р. Браун и ее наставник, профессор биоинформатики и геномики UNC Charlotte Деннис Р. Ливси, представляют анализ четырех известных в настоящее время белковых структур Ферменты бета-лактамазы класса C — молекулярные машины, которые эволюционировали, чтобы позволить бактериям разбирать различные молекулы антибиотиков, включая цефалоспорины третьего поколения.Исследователи обнаружили, что все четыре молекулы удивительно похожи тем, что имеют жесткую белковую надстройку, но с тремя «гибкими» структурными элементами в активном центре — той части фермента, которая действует на антибиотик. Анализ показывает, что гибкие структуры «кооперативно коррелируют» в своих движениях — движения молекулярных сегментов связаны, и связь аналогична во всех четырех проанализированных молекулах.Исследователи говорят, что необычно близкое сходство динамических свойств — то, как связанная динамика внутри петель активного центра сохраняется эволюционным процессом в четырех разных бактериальных группах — и тот факт, что сохраненная коррелированная гибкость происходит в активных site подразумевает, что эта специфическая структурная особенность имеет решающее значение для его передовых антибактериальных свойств.
«С точки зрения эволюции это действительно круто», — сказал Ливси. «Вот белок, который подвергается очень интенсивному эволюционному давлению, что делает эти связывания критическими и не позволяет им изменяться. Мы никогда не видели этого раньше. Обычно эти связывания весьма разнообразны, даже если в остальном они являются близкородственными ферментами. . "«Очевидно, что этот результат важен, потому что он находится в активном участке, потому что он эволюционно сохраняется, и потому, что мы никогда раньше не видели такой степени сохранения ни в одной другой системе», — отметил Ливси.
Анализ проводился с использованием модели ограничения расстояния (DCM), программы анализа белков, разработанной биофизиком Дональдом Джейкобсом Ливси и UNC Charlotte. кислоты.Эффективный, но точный структурный анализ DCM позволил исследователям провести сложные структурные сравнения между множеством различных (но связанных) белковых молекул в реалистичных вычислительных временных масштабах, которые были бы недоступны традиционными методами. DCM позволяет исследователям быстро и точно определять конкретные различия в динамических свойствах между структурами, такие как разная степень жесткости / гибкости в определенных частях сложной структуры белка.
В предыдущем исследовании с использованием DCM для анализа родственного класса ферментов бета-лактамаз Ливси и Джейкобс обнаружили, что эволюционные изменения в структуре фермента не имеют никакого отношения к конкретным антибиотикам, которые фермент эффективно разрушает. Однако исследователи обнаружили, что общая структура этих ферментов бета-лактамазы класса А была необычно жесткой.Общая стабильность белка бета-лактамазы, как предполагали авторы предыдущего исследования, позволила изменениям в компонентах активного центра развиваться легко и быстро, потому что большинство изменений там не нарушили бы более общие характеристики белка. Способность бета-лактамазы почти бесконечно изменять структуру своего активного сайта без других последствий, возможно, объясняет способность бета-лактамазы быстро развиваться в ответ на новые антибиотики.
Предыдущее открытие обескураживало медицину, потому что означало, что было, вероятно, немного (если вообще было) возможностей отключить ферменты класса A путем связывания небольших молекул с белками и изменения их ферментативной активности посредством аллостерических эффектов — активный центр, по-видимому, не пострадал от изменений. в других частях белковой структуры. Однако текущие открытия относительно связанных, гибких структурных компонентов бета-лактамаз класса C могут быть совсем другой историей.«У нас есть убедительные доказательства из наших прошлых исследований, что аллостерия — динамические связи между различными структурными компонентами в большой молекуле — очень чувствительна к разрушению», — отметил Ливси. "И мы увидели здесь, что эти связанные элементы в активных сайтах класса C высоко сохраняются в результате эволюции, вероятно, по уважительной причине, связанной с функцией.
Если бы вы смогли нарушить эту связь, есть большая вероятность, что у вас будет хороший терапевтический эффект ».Хотя его лаборатория не занимается открытием лекарств, Ливси говорит, что результаты указывают на то, куда следует искать лаборатории, которые проводят такие исследования.«С терапевтической точки зрения вы можете представить, что если бы вы могли создать небольшую молекулу, которая связана с активным сайтом где-то еще, она могла бы разъединить динамику петли активного сайта, и вы отключили бы что-то жизненно важное для фермента», — сказал он.
Теоретически добавление такой молекулы к антибиотикам, которые обычно отключают бета-лактамазы класса C, снова сделает их эффективными против бактерий, устойчивых к лекарствам, полагает Ливси.Лаборатория Ливси продолжает работать над анализом других классов бета-лактамаз в надежде, что понимание сложной структурной динамики фермента выявит его функциональные ограничения и слабые места.
Перефразируя знаменитую цитату Феодосия Добжанского об эволюции, Ливси заметил: «Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете биофизики».