Pegando a dança dos antibióticos e ribossomos à temperatura ambiente

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Anonim

Os antibióticos têm sido um pilar da medicina moderna desde a década de 1940. A estreptomicina, que pertence a uma classe de antibióticos chamados aminoglicosídeos, foi o primeiro indício de luz na busca milenar por um tratamento para a tuberculose, que continua sendo uma das doenças infecciosas mais mortais da história da humanidade.

Hoje, os aminoglicosídeos são os antibióticos mais comumente prescritos no mundo devido ao seu baixo custo e alta eficácia na abordagem de um amplo espectro de infecções bacterianas. Mas eles também trazem efeitos colaterais que podem ter impactos ao longo da vida. Dependendo da dosagem e do antibiótico específico, estima-se que 10 a 20 por cento dos pacientes que tomam aminoglicosídeos sofrem danos renais e 20 a 60 por cento acabam com perda auditiva irreversível.

Agora, pesquisadores do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia desenvolveram uma nova técnica de imagem para entender melhor os mecanismos que levam à perda auditiva quando os aminoglicosídeos são introduzidos no corpo. Usando o laser de raio X Linac Coherent Light (LCLS) e o Stanford Synchrotron Lightsource (SSRL), os pesquisadores do SLAC, em colaboração com pesquisadores da Universidade de Stanford, puderam observar interações entre as drogas e os ribossomos bacterianos em ambientes extremamente baixos. temperaturas, revelando detalhes nunca antes vistos.

Eles também demonstraram como pequenas modificações nos antibióticos podem levar a mudanças drásticas na forma do ribossomo que eliminam a perda auditiva. A pesquisa poderia levar a uma melhor compreensão de quais partes de uma molécula de droga causam reações indesejáveis ​​no corpo, o que permitirá o desenvolvimento de antibióticos mais eficazes, com menos efeitos colaterais.

O grupo foi liderado pelo pesquisador associado e autor sênior Hasan DeMirci. Seus resultados foram publicados na Nucleic Acids Research.

Proteínas de impressão 3-D

Hasan DeMirci refere-se aos ribossomos - minúsculas máquinas moleculares formadas por emaranhados de RNA e proteínas aglutinadas e intrincadamente conectadas como macarrões de ramen em sopa - como "as impressoras 3-D do corpo humano". Os ribossomos sintetizam proteínas usando a informação genética contida no DNA, "construindo nossos corpos a partir do zero".

"Enquanto uma subunidade do ribossomo, seu cérebro, decifra e traduz o código genético, a outra, suas mãos, liga aminoácidos para formar proteínas", disse DeMirci.

Ao contrário dos vírus, que têm de sugar os hospedeiros para sobreviver, as bactérias têm seus próprios ribossomos, que é onde os antibióticos entram em ação. Os ribossomos bacterianos são alvos de muitos antibióticos. Os chamados antibióticos "cides", como os aminoglicosídeos, atuam atacando os cérebros dos ribossomos bacterianos, fazendo com que cometam erros e preencham as células com moléculas de lixo semelhantes a proteínas.

"É como uma casa com muito lixo acumulado", diz DeMirci. "Não há como voltar atrás. A partir desse ponto, as bactérias simplesmente morrem".

O problema com essa estratégia é que as células humanas contêm fábricas produtoras de energia chamadas mitocôndrias, que têm seus próprios ribossomos - e, como esses ribossomos são perigosamente semelhantes aos encontrados nas bactérias, eles também são vulneráveis ​​ao ataque de antibióticos.

"Estamos matando as bactérias, mas a mesma droga entra em nossa mitocôndria e destrói os ribossomos lá", diz DeMirci. "Agora não podemos produzir as enzimas que nos alimentam. Você toma um antibiótico e começa a perder sua audição, seu rim falha."

Insights sobre maquinaria molecular

DeMirci tem um forte interesse em aminoglicosídeos, porque ele pode usá-los para obter informações sobre a maquinaria molecular do ribossomo.

"O que eu realmente quero saber é o que essas drogas podem nos ensinar sobre como os ribossomos decifram o código genético", disse DeMirci. "As drogas nos dão a oportunidade de parar esse processo em diferentes estágios para entender como cada passo é catalisado pelo ribossomo".

Para entender melhor esse processo, ele iniciou uma colaboração com Anthony Ricci, biofísico e professor de medicina em Stanford, que foca no ouvido interno. Em pesquisas anteriores, Ricci descobriu que os aminoglicosídeos infiltram canais especializados para atingir as células sensoriais essenciais à audição.

"Você pode pensar nisso como um motel barata", diz Ricci. "As drogas podem entrar, mas não podem sair. Elas começam a se acumular, ligando-se aos ribossomos e alterando a síntese protéica. Isso coloca uma enorme carga metabólica nas células sensoriais, o que acaba levando à sua morte."

Um dos principais objetivos do laboratório de Ricci foi projetar e desenvolver novos aminoglicosídeos que matam as bactérias, mas não conseguem se espremer através do canal. Para fazer isso, os pesquisadores precisam entender exatamente como os aminoglicosídeos interagem com os ribossomos para que possam modificar partes da droga sem enfraquecer suas propriedades de matar as bactérias.

Interações de descongelamento

A melhor maneira de alcançar esse entendimento, descobriram os pesquisadores, é através de uma técnica chamada cristalografia de raios-X. Na cristalografia de raios X, os pesquisadores usam os padrões formados quando um feixe de raios-X se dispersa de uma amostra de cristal para formar um modelo 3-D de como seus átomos e moléculas são organizados. Essa técnica permite que os pesquisadores observem como uma droga se liga a um ribossomo.

Embora as principais interações nesses processos ocorram à temperatura do corpo, em torno de 37 graus Celsius, a cristalografia de raios X geralmente tem que ser feita em temperaturas extremamente baixas, ou criogênicas, em torno de 180 graus Celsius negativos. Isso leva a lacunas nos dados, obscurecendo pequenos detalhes que poderiam informar grandemente futuros experimentos.

"Nossos corpos são quentes, então a biologia importante está acontecendo à temperatura do corpo", disse DeMirci, "mas na cristalografia tudo está congelado. Quando você esfria esses processos, você perde flutuações térmicas, movimentos minúsculos que poderiam mudar sua compreensão de como as drogas e ribossomos estão se comportando ".

Para desenvolver antibióticos melhores, eles precisam ter uma visão tão próxima quanto possível dessa interação, que ocorre em condições fisiológicas. No LCLS, usando uma técnica chamada cristalografia de femtossegundos em série, DeMirci é capaz de capturar a intricada valsa das drogas e ribossomos à temperatura ambiente. Em vez de congelar os cristais de ribossomo, os pesquisadores os suspendem em 'licor mãe', uma solução química especial em que foram cultivados que os mantém estáveis, então eles estão "nadando alegremente, ainda oscilando e flutuando", diz ele.

Os cristais viajam de um reservatório para a região de interação através de um único capilar, como uma mangueira de jardim. Uma vez na região de interação, os cristais são lançados com um feixe de raios X do LCLS, que se dispersa em um detector e fornece aos pesquisadores padrões que eles podem usar para construir modelos detalhados em 3-D do ribossomo antes e depois de terem ligado com as drogas. Eles então usam esses modelos para montar uma simulação da interação.

Descobrindo as manobras escondidas

Para demonstrar sua técnica, os pesquisadores imaginaram drogas modificadas e não modificadas se ligando aos ribossomos tanto a temperatura criogênica quanto à temperatura ambiente para ver se conseguiam detectar diferenças. Eles descobriram que as moléculas da droga eram menos flexíveis em temperaturas criogênicas: pequenas oscilações essenciais para uma melhor compreensão de suas interações com os ribossomos foram congeladas no lugar.

"Apesar do fato de termos registrado centenas de milhares de estruturas de interações ribossômicas, menos de um punhado de medicamentos de nova geração foram projetados com base nessas estruturas criogênicas", disse DeMirci. "Isso porque cada pequena interação faz uma enorme diferença, até mesmo um único elo de hidrogênio."

Com as imagens tiradas à temperatura ambiente, o grupo de Ricci identificou um local onde a droga poderia ser modificada sem alterar sua eficácia.

"Agora temos uma ideia de que quando a droga se liga ao ribossomo, ocorre uma mudança global no ribossomo que pode ser importante para a função do antibiótico e a sensibilidade do ribossomo", disse Ricci.

Refinando as peças do quebra-cabeças

Na próxima fase de experimentos, DeMirci espera projetar uma configuração na qual os antibióticos não sejam introduzidos até o último segundo antes que o ribossomo seja fotografado, para que eles possam observar como ele se liga ao ribossomo, em vez de apenas tirar imagens antes e depois.

Até então, Ricci disse que seu grupo vinha fazendo síntese de drogas com pouca informação ou insight sobre como o antibiótico interage com o ribossomo.

"O que este artigo e a colaboração geral permitem é uma investigação direta da interação entre drogas e ribossomos", disse ele. "É como ter peças mais definidas no quebra-cabeça. Você não precisa adivinhar o que está acontecendo."

O desenvolvimento de antibióticos que combatam as bactérias resistentes aos medicamentos com efeitos colaterais mínimos é essencial porque a ascensão de cepas resistentes a antibióticos é atualmente a maior ameaça à medicina moderna, disse DeMirci.

"A cada ano, mais de um milhão de pessoas morrem de tuberculose e quase meio milhão são soropositivas", disse ele. "As pessoas geralmente não morrem de HIV ou câncer, elas morrem porque seu sistema imunológico é suprimido e elas não podem lutar contra infecções bacterianas. É quando você precisa de antibióticos. Mas e se você não tiver uma que seja eficaz contra a resistência Isso é exatamente o que está acontecendo agora. Esta pesquisa pode nos ajudar a tomar decisões informadas ao projetar a próxima geração de drogas ".

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