Фермент-мишень для новых антибиотиков стал водорастворимым

Бактериальный фермент гистидинкиназа — перспективная мишень для новых классов антибиотиков. Однако создавать препараты против него сложно, так как это «гидрофобный» белок, теряющий структуру вне клеточной мембраны.

Команда под руководством MIT нашла способ сделать фермент водорастворимым, что позволит быстро тестировать потенциальные лекарства, нарушающие его функции.

Исследователи создали новую версию гистидинкиназы, заменив четыре специфических гидрофобных аминокислоты на три гидрофильные. Даже после такой значительной замены водорастворимая версия фермента сохранила свои естественные функции.

Существующие антибиотики не нацелены на гистидинкиназу, поэтому препараты, нарушающие её функции, могут стать новым классом антибиотиков. Это крайне необходимо для борьбы с растущей проблемой антибиотикорезистентности.

«Каждый год более 1 миллиона человек умирают от устойчивых к антибиотикам инфекций. Этот белок — хорошая мишень, потому что он уникален для бактерий, а у людей его нет», — говорит Шугуан Чжан, ведущий автор исследования.

Новый подход: QTY-код

В 2018 году Чжан и коллеги разработали простой способ превращения гидрофобных мембранных белков в водорастворимые версии, сохраняющие структуру в воде. Их метод известен как QTY-код (по буквам, обозначающим гидрофильные аминокислоты, которыми заменяют гидрофобные):

В новом исследовании команда впервые показала, что QTY-код можно использовать для создания водорастворимых ферментов, сохраняющих свою ферментативную функцию.

Сохранение функций и стабильности

Гистидинкиназа может выполнять четыре различные функции, включая фосфорилирование и дефосфорилирование других белков. После применения QTY-кода исследователи протестировали все четыре функции и обнаружили, что белок по-прежнему способен их выполнять. Это означает, что его можно использовать в высокопроизводительном скрининге для быстрой проверки потенциальных лекарственных соединений.

С помощью ИИ-программы AlphaFold исследователи смоделировали структуру нового белка и обнаружили, что он образует стабилизирующие водородные связи с водой. Ключевым оказалась замена гидрофобных аминокислот по всему трансмембранному сегменту, что помогает молекуле сохранять структурные отношения, необходимые для нормального функционирования.

Будущие применения

Чжан планирует применить этот подход к метанмонооксигеназе — бактериальному ферменту, способному превращать метан в метанол. Водорастворимая версия этого фермента может распыляться в местах выбросов метана (например, в коровниках или районах таяния вечной мерзлоты), помогая удалять этот парниковый газ из атмосферы.

«Если мы сможем использовать тот же инструмент, QTY-код, на метанмонооксигеназе и применять этот фермент для превращения метана в метанол, это может замедлить изменение климата», — говорит Чжан.

Техника QTY также может помочь учёным лучше понять, как сигналы передаются через трансмембранные белки.