Enzimin Eylem Halindeki Görüntüleri Antibiyotik Dirençli Bakterilerin Sırlarını Ortaya Çıkarıyor
Bu tür enzimler giderek daha yaygın hale gelmektedir ve dünya çapında çeşitli ilaç direncine sahip bakteri örneklerinde görülmektedir.
Şimdi bilim insanları, bu enzimlerin önemli bir sınıfının faaliyetlerini gösteren ilk görüntülerini yakalamışlardır. Bu görüntüler, enzimlerin bakteriyel ribozom üzerinde belirli bir bölgeye nasıl tutunduğunu ve ardından bir çift cımbız gibi sıkarak bir RNA nükleotidini çıkarıp değiştirdiğini göstermektedir. Bu bulgular, Emory Üniversitesi'ndeki bilim insanlarının öncülüğünde yapılan bir çalışmanın sonuçları olarak Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri (PNAS) dergisinde yayımlanmıştır.
Bu ultra yüksek çözünürlüklü, üç boyutlu görüntülerin elde edilmesini mümkün kılan gelişmiş kriyo elektron mikroskobu tekniği kullanılmıştır.
Kimya alanında profesör olan ve makalenin ortak yazarlarından biri olan Christine Dunham, "Görmek inanmaktır," diyor. "Biyolojik yapıların atomik düzeyde gerçek hayatta etkileşimini gördüğünüzde, adeta bir yapboz çözüyormuş gibi olur. Her şeyin nasıl bir araya geldiğini görürsünüz ve işlerin nasıl çalıştığına daha net bir şekilde anlayış kazanırsınız."
Bu bulgular, RNA metiltransferaz enzimlerinin ilaç direnci faaliyetlerini engellemek için yeni antibiyotik tedavilerinin tasarımına yol açabilir. Bu tür enzimler, bir molekülden diğerine bir metil grubu adı verilen küçük bir hidrokarbonun transferini gerçekleştirir. Bu işlem metilasyon olarak adlandırılır.
Biyokimya alanında profesör olan Graeme Conn, "Metilasyon, biyolojideki en küçük kimyasal değişikliklerden biridir," diyor. "Ancak bu küçük değişiklik biyolojiyi temel olarak değiştirebilir. Bu durumda, bakterilere bir tür antibiyotiğe karşı direnç kazandıran bir direnç sağlar."
Hem Conn hem de Dunham, aynı zamanda Emory Antibiyotik Direnç Merkezi üyeleridir.
Makalenin birinci yazarı, Emory Üniversitesi'nde moleküler ve sistemler farmakoloji lisansüstü programında doktora adayı olarak çalışan Pooja Srinivas'tır. O zamandan beri mezun olmuş ve şu anda Washington Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırmacı olarak görev yapmaktadır.
Dunham, hücre içinde protein üretmek için bir fabrika gibi çalışan karmaşık bir yapı olan ribozom konusunda uzmandır. Proteinler, hücrelerin işleyişini sağlayan makinelerdir ve DNA ile RNA gibi nükleik asitler yaşamın temel planlarını depolarlar. Ribozomun büyük bir kısmı RNA'dan oluşur ve sadece bilgi depolamakla kalmaz, aynı zamanda kimyasal reaksiyonları katalize eden bir enzim gibi de işlev görür.
Dunham'ın laboratuvarının bir hedefi, bakteriyel ribozomları antimikrobiyal maddelere daha duyarlı hale getirerek, bakterilerin büyümesi ve hayatta kalması için gerekli olan protein üretimini durdurma yolları bulmaktır.
Fikir, insan hücrelerinin ribozomları ile bakteriyel ribozomları arasındaki farkları kullanarak, sadece bakterilere antimikrobiyal ilaçlarla hedeflenmesini sağlamaktır.
Ancak antimikrobiyal ilaçlar, bakteriyel savunma mekanizmalarını aşmalıdır.
Dunham açıklıyor: "Bu, moleküler bir silah yarışına benzer. Bakteriler, ilaçlara karşı savunma olarak sürekli olarak yeni silahlar geliştirirken, bilim insanları da bakterileri etkisiz hale getirmek için yeni stratejiler geliştirirler."
Conn, ribozomal RNA metiltransferaz enzimleri olarak bilinen bakteriyel savunma silahlarında önde gelen bir uzmandır. Bu enzim ailesi, ilk olarak toprak bakterilerinde keşfedildi. Şimdi ise insanlar ve hayvanlardaki bakteriyel enfeksiyonlarda giderek daha sık bulunmaktadır, bu da bu enfeksiyonların tedavisini zorlaştırmaktadır.
Conn, "Bu enzimler, dünya genelinde farklı bölgelerde bazı zararlı bakteri patojenlerinin klinik örneklerinde giderek daha sık bulunuyorlar," diyor.
Bu enzimler, E. coli, Salmonella, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa ve Enterobacteriaceae gibi patojenlerde ölümcül ilaç direncine neden olabilir. Bu enzimler, bakteriyel ribozoma belirli bir bölgeye metil grubu eklerler. Bu ekleme işlemi, aminoglikozit adı verilen bir antibiyotik sınıfının ribozoma bağlanma yeteneğini bloke eder ve antibakteriyel etki göstermesine engel olur.
PNAS makalesi için araştırmacılar, bu enzim ailesinin içindeki suçluyu belirlemek amacıyla ribozomal RNA metiltransferaz C veya RmtC'ye odaklandılar.
Yıllardır araştırmacılar, moleküler makinelerin kristal düzenlemesi halindeyken nasıl çalıştığının atomik ayrıntılarını ortaya çıkarmak için X ışını kristalografisi tekniğine güveniyorlar.
Örneğin, 2015 yılında Dunham'ın laboratuvarı, HigB adlı bir enzimin bakteri büyümesini durdurmak için RNA'yı nasıl yırttığını gösteren hassas resimler elde etti. Bakteri büyümesini sınırlayarak, HigB, bakterinin antibiyotiklere karşı toleranslı bir "persistan hücre" durumu oluşturur.
Ancak RmtC enziminin ribozomla nasıl etkileşime girdiği hakkındaki sırlar, X ışını kristalografisi ile çözülememişti.
Dunham açıklıyor: "RmtC çok daha karmaşıktır. Bu, diğerlerinden farklı göründüğü için temel bilim açısından ilginç bir enzim."
Kriyo elektron mikroskopisinin son dönemdeki ilerlemeleri, RmtC'nin karmaşık mekanizmalarına daha yakından bakma fırsatı yarattı.
Kriyo elektron mikroskopisi, moleküllerin ve etkileşim biçimlerinin yapısını ortaya çıkarmak için kristalleşmeye gerek duymaz. Bunun yerine, sıvı örnekler hızla dondurulur ve cam benzeri bir matris oluşturur. Cam benzeri matris, moleküllerin üç boyutlu yapısını korur ve yoğun elektron demetinin neden olduğu bozulmadan korur.
Bir zamanlar Conn laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan ve PNAS makalesinin bir diğer yazarı olan Meisam Nosrati, RmtC'nin bir E. coli ribozomunun bir parçasıyla nasıl etkileşime girdiğini gösteren örnekleri hazırladı. Nosrati, enzimi istenen konumda tutup sabitlemek için bir teknik geliştiren Wake Forest Üniversitesi'nden kimyager Lindsay Comstock'un uzmanlığından faydalandı.
Daha sonra Nosrati, örnekleri küçük bir ızgara üzerinde dondurdu ve bunları görüntülemek için Pasifik Kuzeybatı Kriyo-EM Merkezi'ne gönderdi.
Dunham'ın laboratuvarındaki bir doktora öğrencisi olarak Pooja Srinivas, mikroskopi veri setini analiz edip yorumladı. Binlerce bireysel görüntüyü bir araya getirmek için bilgisayar algoritmalarını kullandı. Sonuç olarak, görüntüler, RmtC'nin işleyişini gösteren karmaşık bir yapıyı ortaya koyan bir kitapçığa dönüştü.
Dunham açıklıyor: "Enzim, ribozoma bir cımbız gibi tutunur. Kavrayışını sıkılaştırır ve bir RNA heliksinin içinden bir nükleotid sıkıştırana kadar sıkıştırır. Ardından bu nükleotidi kimyasal olarak değiştirir."
Bu enzim, ribozoma bağlanma konusunda son derece belirgindir. Ribozom, 50 farklı proteinden ve 6.000 farklı RNA nükleotidinden oluşan dev bir makromoleküldür.
Araştırmacılar, gözlemlediklerinin, RmtC'nin aminoglikozit antimikrobiyalleriyle nasıl etkileşime girdiği hakkındaki önceki bulgularla uyumlu olduğunu doğrulamak için biyokimya teknikleri kullandılar.
Araştırmacılar şimdi, yeni bilgilere dayanarak RmtC ve benzer enzimlerin etkilerine karşı nasıl mücadele edilebileceği konusunda yeni yollar geliştirmeye çalışıyorlar.
Conn, "Enzimin kimyasal tepkimesini gerçekleştirirkenki şekli, etkilerini engellemek için yeni hedefler sunar," diyor. "Örneğin, enzimin cımbız benzeri hareketini hedef alabilir ve onun ribozoma sıkışmasını ve bağlanmasını önlemeye yönelik bir aksiyonu bloke etmek için küçük bir molekülün oturabileceği bir cep oluşturduğumuzu artık biliyoruz."
PNAS makalesinin diğer yazarları arasında, Conn laboratuvarında araştırma bilim adamları Natalia Zelinskaya ve Debayan Dey yer almaktadır.
Bu çalışmanın finansmanı, Ulusal Sağlık Enstitüleri ve Enfeksiyon Hastalığı Patogenezinde Araştırmacı Burroughs Wellcome Fonu tarafından sağlanmıştır.
Kaynak :eurekalert.org