Bakterileri Öldürmenin Yeni Yollarını Bulmak MurJ Taşıyıcısına Dair Yeni Bulgular

Bakterileri Öldürmenin Yeni Yollarını Bulmak MurJ Taşıyıcısına Dair Yeni Bulgular

Caltech liderliğindeki bir biyokimyacı ekibi, bakterilerin zincir zırh benzeri hücre duvarlarını oluşturmak için kullandıkları yolun hayati bir parçası olan, yeterince araştırılmamış küçük bir taşıyıcı olan MurJ'ye odaklandı. Hücre duvarının temel bir bileşeni olan peptidoglikan, bakterilerin basınca direnmesini sağlayan gücü sağlar. Bilim insanları, gelişmiş araçlar kullanarak, üç farklı bakteri öldürücü virüsün MurJ'nin görevini yapmasını engellemek için kullandığı ortak mekanizmayı belirledi. Bulgular, yeni antibiyotikler tasarlamak için yeni bir hedef ortaya koyuyor.

Yeni çalışmayla ilgili bir makale, 25 Şubat'ta Nature dergisinde çevrimiçi olarak yayınlandı. Makalenin baş yazarı , Caltech'te Biyokimya Profesörü olan ve makalenin sorumlu yazarı da olan Bil Clemons'un laboratuvarında yüksek lisans öğrencisi Yancheng Evelyn Li'dir .

"Evrim güçlüdür ve bakterilerde antibiyotiklere karşı direnç hızla gelişir. Bu, şu anda elimizdeki tüm ilaçlara dirençli bakterilerle uğraştığımız anlamına geliyor," diyor Clemons. "Sadece ABD'de bile her yıl on binlerce insan antibiyotik dirençli bakteriyel enfeksiyonlardan ölüyor ve bu sayı hızla artıyor. Bununla mücadele etmek için yeni antibiyotiklere ihtiyacımız var."

Bilim insanları uzun zamandır, peptidoglikan sentezi yolu olarak bilinen ve antimikrobiyal bir hedef olarak değerlendirilen hücresel yolakla ilgilenmektedir. Clemons, "Peptidoglikan, bakterilerin eşsiz bir özelliğidir ve bu da onu cazip bir antibiyotik hedefi haline getirir" diyor.

Peptidoglikan biyosentez yolunun birçok detayı bilinmektedir ve antibiyotikler için hedef olarak kullanılmıştır. Geçen yüzyılın ortalarında Alexander Fleming tarafından keşfedilen ilk ilaç, penisilin antibiyotiğidir. Penisilin ve amoksisilin gibi türevleri, bakterileri öldürmek için bu yolun son aşamasını hedef alır.

Bakterilerde, üç temel protein olan MraY, MurG ve MurJ, peptidoglikanın yapı taşlarının hücre içinden iç zar bariyeri boyunca transferini ve taşınmasını kolaylaştırır. Bu üç proteinden herhangi biri işlevini yitirirse, peptidoglikan üretilemez ve bakteriler ölür; bu da onları antibiyotik keşfi için heyecan verici hedefler haline getirir. Bilim insanları bu proteinler hakkında çok şey biliyor, ancak Clemons'un da belirttiği gibi, birçok temel mekanistik soru hala cevapsız kalıyor.

Bu proteinleri engellemenin faydaları açık olsa da, şu anda onları hedef alan hiçbir ilaç bulunmamaktadır. Ancak Clemons, "Doğadan elde edilen veya kimyasal kütüphanelerde sentezlenen küçük moleküllerin bu proteinleri engelleyebileceğini biliyoruz. Heyecan verici bir şekilde, son keşifler bakteriyofajların bu yolu nasıl hedefleyeceğini çözdüğünü göstermiştir." diyor.

Bakterileri hedef alan virüslerin, yani bakteriyofajların veya fajların hayatta kalması, bakteri hücresine girme, kendilerinin kopyalarını oluşturma ve ardından olabildiğince geniş bir alana yayılma yeteneklerine bağlıdır. Clemons, "Dışarı çıkmak için peptidoglikan tabakasını aşmaları gerekiyor. Bu tabaka zırh gibi davrandığı için, fajlar onu kıramazlarsa sıkışıp kalıyorlar" diye açıklıyor.

Clemons laboratuvarı, odak noktasının bir kısmını tek sarmallı DNA ve RNA fajlarına, yani bakterileri öldürmek için basit yöntemler gerektiren küçük genomlu minik fajlara yöneltti. Laboratuvar, 2023 yılında Science dergisinde, Caltech'te uzun bir geçmişe sahip olan φX174 adlı bir faj hakkında bir makale yayınladı.

Bu küçük fajların bakterileri öldürmek için kullandığı silahlar, tek genli lizis proteinleri veya Sgl'ler (telaffuzu "sigil" gibi) adı verilen protein antibiyotikleridir. Son zamanlarda Li ve Clemons, antibiyotik keşfi için MurJ'yi hedef alan Sgl'lere odaklandılar. MurJ, peptidoglikan yapı taşlarını hücre zarı boyunca "çeviren" ve böylece peptidoglikan zincirini oluşturmak için kullanılabilen bir protein olan bir flippazdır. İşbirlikçiler, birbirleriyle ilgisi olmayan ve iki farklı faj tarafından üretilen iki Sgl'nin, SglM ve SglPP7'nin, MurJ'yi inhibe ederek bakteri ölümüne neden olduğunu zaten göstermişlerdi.

Bu çalışmada Li, Caltech'in Beckman Enstitüsü Biyolojik ve Kriyojenik İletim Elektron Mikroskopi (Kriyo-EM) Kaynak Merkezi'ni kullanarak bu iki Sgl'nin MurJ'nin çevirme aktivitesini nasıl engellediğini ortaya koydu. MurJ gibi flippazlar, zarda hiçbir zaman bir açıklık oluşturmadan, taşıdıkları moleküllerin zarın iki tarafı arasındaki erişimini değiştirerek çalışırlar. MurJ için, hücre içindeki peptidoglikan öncüsünün bağlanması, molekülü hücre dışına etkili bir şekilde taşıyan yapısal bir değişikliği tetikler. Li, her iki Sgl'nin de proteinin bu yapısal değişiklikleri yapmasını engelleyen flippazdaki bir oluğa bağlandığını buldu.

Li, "Bu Sgl'lerin her ikisinin de MurJ'ye dışa dönük bir konformasyonda bağlandığı ve onu bu pozisyonda kilitlediği açık," diyor. Bu, araştırmacılar için heyecan verici çünkü MurJ'nin dışa dönük konformasyonu çevredeki ortama erişilebilir durumda. Teorik olarak, bu durum, içe dönük bir konformasyona kıyasla antibiyotiklerle hedeflenmesini kolaylaştırıyor.

Clemons, bu keşfin başka bir nedenden dolayı da şok edici olduğunu söylüyor. "Birbirleriyle evrimsel bağları olmayan bu peptitler, MurJ'yi çok benzer bir şekilde hedeflemeyi başarmışlar. Bunlar, farklı evrimsel yolların aynı çözüme ulaştığı yakınsak evrimin iki örneği. Şaşırdık!"

Araştırmacılar, virüslerin hızla evrimleşmesi nedeniyle, muhtemelen Sgl'lere sahip olacak sonsuz sayıda faj bulunduğunu ekliyorlar. Fajların bulunması kolay olduğundan, bu viral genomların incelenmesi yeni biyolojik keşiflere ve yeni antibiyotik hedeflerine yol açabilir. Nature dergisindeki makalede, bilim insanları yeni bir faj ile tam olarak bunu yaptılar. Bir işbirlikçiyle birlikte çalışarak, kriyoelektron mikroskopi analizi için SglCJ3 (bir faj olduğu tahmin edilen ve Changjiang3 olarak adlandırılan bir genom dizisinden) adı verilen yeni bir Sgl tanımladılar. Li, SglCJ3'ün MurJ'ye bağlı yapısını çözdü ve MurJ'nin dışa dönük aynı konformasyonunda bağlandığını buldu.

Clemons, "Bu, aynı hedefi benzer şekilde inhibe etmek için farklı bir peptit geliştiren üçüncü bir genomdur," diyor. "Evrimin MurJ'yi bakterileri öldürmek için harika bir hedef olarak belirlediğine dair ilk güçlü kanıt bu; yani evrimin yolunu izlemeli ve MurJ'yi hedef alan terapötikler geliştirmeliyiz. Bu, temel biyolojinin tıptaki sorunları çözmemize yardımcı olma gücünü gösteriyor. Yolumuz Sgl keşfinden yararlanmaya odaklanmış durumda ve bu kavramları gerçeğe dönüştürmek için desteklenmeye devam etmeyi umuyoruz."

Makalenin başlığı "Faj lizis proteinleri tarafından MurJ flippazının yakınsak inhibisyonu"dur. Clemons ve Li'nin yanı sıra, Caltech yüksek lisans öğrencisi Grace F. Baron; ve Texas A&M Üniversitesi'nden Francesca S. Antillon, Karthik Chamakura ve Ry Young da yazarlar arasındadır. Çalışma, Chan Zuckerberg Girişimi, Ulusal Sağlık Enstitüleri, G. Harold ve Leila Y. Mathers Vakfı ve Texas A&M AgriLife'ın ortak sponsorluğunda Texas A&M'deki Faj Teknolojisi Merkezi tarafından desteklenmiştir.