Vědci z rentgenového laseru vyvíjejí nový způsob, jak sledovat bakteriální napadení antibiotiky

Petr Kulhánek - Věda za každodenními jevy | Neurazitelny.cz | Večery na FF UK (Březen 2019).

Anonim

Tuberkulóza, onemocnění plic, které se šíří vzduchem kašlem nebo kýcháním, dnes zabije více lidí na světě než jakýkoli jiný infekční agent, podle poslední zprávy o celosvětové tuberkulóze Světové zdravotnické organizace. A ve stovkách tisíců případů každý rok léčba selhává, protože bakterie, které způsobují Tb, se staly rezistentními na antibiotika.

Nyní mezinárodní tým výzkumníků našel nový způsob, jak prozkoumat, jak bakterie Tb inaktivují důležitou rodinu antibiotik: sledovali proces v akci poprvé s použitím rentgenového rentgenového elektronického laseru nebo XFEL.

V experimentech na laboratoři SLAC v laboratoři ministerstva energetiky smíchali antibiotikum s enzymem nazvaným beta-laktamázou, který používají bakterie Tb, a poté sledovali v reálném čase, jak enzym napadl antibiotikum, aby ho deaktivoval.

Metoda výzkumu nazvaná mix-and-injection sériová krystalografie využívá brilantních ultrarýchlých impulsů produkovaných společným světelným zdrojem LACS (Linac Coherent Light Source) společnosti SLAC. Rentgenové snímky pořízené 30 milisekund až 2 sekundy po zahájení reakce ukázaly, že laktamázová vazba na antibiotikum ceftriaxon a prasknutí jedné z chemických vazeb.

Výsledky experimentu byly publikovány dnes v BMC Biology.

"Tato studie důkazu o konceptu ukazuje, že během procesu můžeme vidět tvar a meziprodukty molekul, " říká Marius Schmidt, profesor z University of Wisconsin Milwaukee, který vedl experiment. "Po desetiletích zkoušení dalších technik v oblasti krystalografie je technologie tady."

V krystalografii tvoří vědci krystal z mnoha kopií bílkovin a zachycují krystal pomocí rentgenových paprsků, čímž vytvářejí difraktogram na detektoru, který odhaluje atomovou strukturu proteinu. Tato struktura je klíčem k pochopení fungování enzymů a dalších proteinů.

V minulosti to fungovalo pouze s poměrně velkými krystaly, které mají v této metodě omezenou hodnotu, protože roztok obsahující antibiotik bude trvat dlouhou dobu, aby difundoval do krystalu a reagoval s enzymem. Je důležité, aby difúze byla rychlejší než reakce, takže mnoho proteinových molekul v krystalu spouští chemický proces společně.

Ale LCLS a další XFEL mají takové intenzivní paprsky, že dokážou zachytit difrakční vzory z mnohem mladších krystalů, což je milión metru napříč nebo méně, řekl Schmidt, takže antibiotikum se může dostat k enzymu rychle a reakce může být zaznamenána s X.

"Zatímco byly provedeny elegantní studie sledující pohyb proteinů se změnami vyvolanými světlem, naše práce dokládá, že větší třída proteinů, jmenovitě enzymů, může být časově vyřešena u LCLS a dalších XFEL, " říká Jose Olmos, doktorský student na univerzitě v Rice, který je jedním z hlavních autorů publikace.

V této studii vědci poskytli drobné krystaly beta-laktamázy, přičemž je smíchali s antibiotiky jen frakcemi sekundy, než byli zasaženi rentgenovými pulzy.

Během reakce tým vzal miliony rentgenových snímků a spojil je dohromady, aby vytvořili mapu, která ukazuje změny v trojrozměrné struktuře antibiotika, protože interaguje s enzymem při pokojové teplotě.

"Pro strukturální biology se takto dozvídáme, jak funguje biologie, " říká Mark Hunter, vědecký pracovník SLAC a spoluautor projektu. "Dešifrujeme strukturu molekuly v určitém okamžiku a dává nám lepší představu o tom, jak molekula funguje."

V budoucích experimentech by mohlo mít ještě více snímků v průběhu reakce větší podrobnosti struktury a chemického chování laktamázy. S více informací by vědci mohli manipulovat s antibiotiky, aby zabránili takovým útokům. Experimentální metoda by mohla být použita také k poznání jemných detailů jiných typů biologických procesů, kde enzymy iniciují nebo řídí reakce.

"Existuje velké množství vzrušení nad touto metodou, protože otevírá tuto novou časovou oblast strukturálních biologů, " říká Hunter. Předchozí práce s touto technikou zachytila ​​převrácení "přepínače" RNA, důležité pro studium retrovirů a rakoviny.

Vědci plánují tuto metodu použít, aby se podívali na další antibiotika. Oni také hodlají využít vyšší frekvence opakování - rychlejší vypalování rentgenových pulsů - očekává se při budoucím upgrade na LCLS a na nedávno otevřené evropské XFEL. To umožní vědcům zachytit údaje, které potřebují, během několika minut, ve srovnání s dny. Mohly by se také podrobněji zabývat reakcemi, které by mohly poskytnout ještě dokonalejší představu o rychlé chemii, jak se to stane.

menu
menu