Спустя более 70 лет после того, как первые сульфаниламидные препараты произвели революцию в медицине и спасли миллионы жизней, учёные из Детской исследовательской больницы Святого Иуды определили на атомном уровне механизм, с помощью которого эти препараты убивают бактерии. Это открытие даёт основу для создания нового поколения антибиотиков, которым бактериям, скорее всего, будет сложнее противостоять и которые будут вызывать меньше побочных эффектов.

Работа была сосредоточена на сульфаниламидных препаратах и их целевом ферменте, дигидроптероатсинтазе (DHPS). Большинству болезнетворных микроорганизмов необходимы DHP для выработки молекулы фолиевой кислоты, которая необходима для производства ДНК и некоторых аминокислот. Работая с ферментами грамотрицательных и грамположительных бактерий, исследователи использовали различные методы, чтобы впервые определить ключевую промежуточную структуру, которую DHPS образует в ходе химической реакции, способствующей выработке фолиевой кислоты. Структура также объясняет на молекулярном уровне, как действуют сульфаниламидные препараты и как мутации, вызывающие резистентность, помогают бактериям противостоять им.

Полученные результаты знаменуют собой значительный прогресс как в микробной биохимии, так и в разработке антимикробных лекарств. Исследование опубликовано в номере журнала от 2 марта Science.

"Обнаруженная нами структура была совершенно неожиданной и действительно открывает нам и другим возможность разработать новый класс ингибиторов, нацеленных на DHP, которые помогут нам избежать побочных эффектов и других проблем, связанных с сульфаниламидными препаратами", - сказал Стивен Уайт, доктор философии, заведующий кафедрой структурной биологии Сент-Джуда и автор статьи.

Соавтор Ричард Ли, доктор философии, сотрудник отделения химической биологии и терапии Сент-Джуда, добавил: "Теперь мы хотим использовать эту информацию для разработки лекарств против оппортунистических инфекций, которые угрожают столь многим пациентам Сент-Джуда".

Сульфаниламидные препараты были открыты в 1930-х годах и стали первым антибиотиком, получившим широкое применение. Хотя лекарства на ранних стадиях стали жертвами устойчивости к антибиотикам, они по-прежнему широко используются против возникающих инфекционных заболеваний и для предотвращения инфекций у пациентов с ослабленной иммунной системой, включая пациентов из Сент-Джуд, проходящих химиотерапию рака. Растущая проблема устойчивости к антибиотикам вызвала возобновление интереса к сульфаниламидным препаратам как возможному источнику новых терапевтических мишеней, сказал Ли.

Предыдущая работа показала, что сульфаниламидные препараты нацелены на DHPS и действуют, имитируя молекулу под названием пАБК. DHPS способствует выработке фолиевой кислоты за счет ускорения синтеза пАБК и другой молекулы, называемой дигидроптеридинпирофосфатом (DHPP). Однако до сих пор ученые точно не знали, как происходит реакция DHPS или как сульфаниламидные препараты нарушают этот процесс.

Работая над ферментами из грамположительной Bacillus anthracis и грамотрицательной Yersinia pestis, бактерий, вызывающих сибирскую язву и чуму, исследователи впервые использовали вычислительные методы для прогнозирования активности фермента. Затем они использовали метод, называемый рентгеновской кристаллографией, чтобы зафиксировать разворачивающуюся химическую реакцию и подтвердить предсказание. Рентгеновская кристаллография включает бомбардировку белков, заключенных в кристаллах, рентгеновскими лучами для определения структуры белка.

Исследователи показали, что DHPP связывается с определенным карманом в DHP. Благодаря магнию связывание способствует расщеплению DHPP и высвобождению пирофосфата. Затем две длинные гибкие петли создают промежуточную структуру, которая подготавливает почву для проникновения пАБК и связывания во втором недолговечном кармане, позволяя пАБК сливаться с расщепленным DHPP. Исследователи запечатлели всех четырех действующих лиц драмы в виде монокристаллической структуры, включая молекулу DHPP с промежуточным расщеплением, существование которой ранее было неизвестно.

Результаты показали, что механизм включает химическую реакцию, известную как реакция Sn1, а не ожидаемую реакцию Sn2. "Это ключевое открытие для открытия лекарств, потому что оно раскрывает химические особенности активного центра фермента DHPS, которые мы можем использовать при разработке новых лекарств", - сказал соавтор исследования Дональд Бэшфорд, доктор философии, ассоциированный сотрудник отделения структурной биологии Сент-Джуд.

Исследование также позволило получить представление об устойчивости к сульфаниламидным препаратам. Исследователи показали, что участки связывания pABA и сульфаниламидных препаратов перекрываются, но сульфаниламидные препараты выходят за пределы кармана, в котором связывается pABA. Мутации, связанные с устойчивостью к препаратам, группируются вокруг этой расширенной области кармана pABA, что объясняет, как мутации могут препятствовать связыванию препаратов, не оказывая серьёзного влияния на связывание pABA. Работа также подчёркивает, что временная структура, образованная двумя петлями DHPS, является мишенью для нового класса препаратов, к которым бактериям будет сложно выработать устойчивость.

"Когда мы приступали к этому проекту восемь лет назад, целью было по-настоящему понять каталитический механизм белка DHPS и то, как действуют ингибиторы, нацеленные на него. Я в восторге от того, что нам это удалось", - сказал Ли. Успех стал результатом междисциплинарных усилий и некоторой удачи, сказал Уайт. Оказалось, что фермент чумы хорошо подходит для этого проекта. В отличие от ферментов DHPS из других бактерий, две вытянутые петли могут свободно образовывать недолговечную структуру и карман pABA, когда фермент иммобилизован в кристалле.