Новая мишень для лекарств: ученые описали структуру защитного фермента у бактерий в комплексе с его продуктом

Ученые раскрыли трехмерную структуру фермента, который помогает бактериям переживать стрессовые условия, в комплексе с его продуктом. Полученные данные помогут в разработке новых противомикробных препаратов, способных блокировать исследованный фермент и тем самым делать бактерии более уязвимыми. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в International journal of Molecular Sciences.

Бактерии хорошо приспосабливаются к неблагоприятным условиям среды, например, нехватке еды, повышенным температурам и действию антибиотиков. В этом им помогают сложные системы из белков: они запускают в клетках процессы, необходимые для выживания.

Один из таких белков — фермент RelSeq. Он синтезирует и разрушает молекулы (p)ppGpp, называемые алармонами, которые служат «тревожным сигналом» в клетке. Так, если бактерия «чувствует» опасность или стресс, фермент RelSeq начинает производить очень много молекул (p)ppGpp. Этот сигнал улавливают другие белки и запускают изменения в клетке, в частности, приостанавливают ее рост и переключают обмен веществ на режим экономии. Поскольку такие перестройки помогают бактериям выжить, ученые стремятся заблокировать их, чтобы бороться с болезнетворными микроорганизмами, в том числе устойчивыми к антибиотикам. Однако, чтобы нацелить лекарство на фермент RelSeq и прервать цепочку последующих реакций, нужно знать его строение и механизм работы.

Ученые из Петербургского института ядерной физики имени Б.П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт» (Гатчина) и Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) впервые определили кристаллическую структуру фермента RelSeq в комплексе с одним из алармонов — pppGpp.

«Нам было интересно исследовать фермент именно в комплексе с pppGpp, поскольку более ранние наши исследования показали, что связывание фермента с этим алармоном увеличивает его стабильность. Когда в результате стресса в клетке накапливается pppGpp, он связывается с ферментом и стабилизирует его. Таким образом, если нарушить взаимодействие RelSeq с pppGpp, то потенциально можно заблокировать ответ бактерии на стресс, а также снизить количество сигнальной молекулы в клетке», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дарья Виноградова, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Петербургского института ядерной физики имени Б.П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт».

Авторы выделили фермент RelSeq из бактерии-стрептококка и изучили его активность в паре с молекулой pppGpp. Кроме того, ученые вырастили кристаллы комплекса RelSeq-pppGpp и определили их структуру.

Оказалось, что pppGpp способен связываться сразу с несколькими участками фермента, отвечающими за синтез и за разрушение pppGpp. Компьютерное моделирование показало, что фермент обладает гибкостью: его участки способны смещаться друг относительно друга. Также авторам удалось определить наиболее предпочтительные места связывания алармона pppGpp. Таким образом, существует сразу несколько «точек», от которых зависит стабильность и работа фермента — именно их потенциально можно будет использовать для нацеливания препаратов, блокирующих RelSeq.

«Важно подчеркнуть, что фермент RelSeq не имеет близких аналогов у человека, что делает его перспективной мишенью для разработки лекарственных средств. Поэтому полученные данные о его структуре в комплексе с сигнальными молекулами несомненно прольют свет на механизмы адаптации бактерий к стрессовым условиям, что важно при разработке новых препаратов против бактериальных инфекций. В дальнейшем мы планируем получить кристаллические структуры фермента в комплексе с другими сигнальными молекулами, а также провести ряд экспериментов с использованием компьютерного моделирования, чтобы подобрать потенциальные лекарственные средства и проверить их действие на активность RelSeq», — рассказывает Дарья Виноградова.

Ранее ученые создали платформу для наблюдения за работой рибосом — структур, отвечающих за образование белков в клетках. Разработка упростит и ускорит тестирование новых препаратов, нарушающих производство белков у болезнетворных бактерий.