Молекулярный крючок
Открыты аминокислоты, отвечающие за связывание фермента с клеткой патогена
Ученые обнаружили в структуре фермента Blp из микроорганизма Lysobacter capsici особый связывающий участок — «якорь» для взаимодействия с клеточной стенкой бактерий. Это связывание необходимо для дальнейшей работы фермента, а именно для разрушения бактериальной клетки.
Авторы статьи слева направо: научный сотрудник Лаборатории биохимии клеточной поверхности микроорганизмов ИБФМ РАН Алексей Афошин; кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Лаборатории биохимии клеточной поверхности микроорганизмов ИБФМ РАН Ирина Кудрякова; кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Лаборатории биохимии клеточной поверхности микроорганизмов ИБФМ РАН Наталья Леонтьевская; младший научный сотрудник ИБФМ РАН Елена Леонтьевская
Фото: Ирина Кудрякова / ИБФМ РАН
Авторы статьи слева направо: научный сотрудник Лаборатории биохимии клеточной поверхности микроорганизмов ИБФМ РАН Алексей Афошин; кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Лаборатории биохимии клеточной поверхности микроорганизмов ИБФМ РАН Ирина Кудрякова; кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Лаборатории биохимии клеточной поверхности микроорганизмов ИБФМ РАН Наталья Леонтьевская; младший научный сотрудник ИБФМ РАН Елена Леонтьевская
Фото: Ирина Кудрякова / ИБФМ РАН
Открытие поможет в разработке новых эффективных лекарств для борьбы с болезнетворными микроорганизмами, устойчивыми к существующим антибиотикам. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.
С каждым годом все больше болезнетворных бактерий приобретает устойчивость к антибиотикам. Поэтому ученые разрабатывают новые препараты, а также ищут способ повысить эффективность существующих. Один из возможных способов решения проблемы — использование природных соединений, которые сами бактерии применяют для борьбы с микроорганизмами–«конкурентами». Наиболее перспективными среди них считаются бактериолитические ферменты, которые разрушают клеточную стенку бактерий, приводя в конечном итоге к их гибели. Однако до сих пор оставался нерешенным вопрос, как на молекулярном уровне бактериолитические ферменты убивают бактериальную клетку.
Ранее ученые из Института биохимии и физиологии микроорганизмов имени Г.К. Скрябина РАН (Пущино) выделили 12 бактериолитических ферментов из бактерии Lysobacter capsici, среди которых наиболее перспективными для медицины являются амидаза Ami и бета-литическая протеаза Blp. Эти ферменты разрушают клетки болезнетворных микроорганизмов, в том числе устойчивых к традиционным антибиотикам.
В новой работе ученые совместно с коллегами из Сколтеха (Москва) и Института белка РАН (Пущино) выяснили, что в пределах одного домена (структурно-функциональной единицы) фермента Blp, помимо активного центра, есть небольшой участок, который необходим для первичного связывания с клеткой-мишенью. Такая нехарактерная архитектура для ферментов, состоящих всего из одного домена, была известна до настоящего времени только для еще одного бактериолитического фермента — псевдоальтерина морской бактерии Pseudoalteromonas.
Глобулярная структура бактериолитической протеазы Blp с указанием аминокислотных остатков в пределах выявленного участка для связывания («якорный» участок).
Фото: Ирина Кудрякова / ИБФМ РАН
Глобулярная структура бактериолитической протеазы Blp с указанием аминокислотных остатков в пределах выявленного участка для связывания («якорный» участок).
Фото: Ирина Кудрякова / ИБФМ РАН
Сначала авторы сравнили пространственную укладку этих двух ферментов и определили предполагаемые границы «якорного» участка в структуре Blp. Далее с помощью методов молекулярного моделирования ученые смогли найти термодинамические закономерности и предположить, что особую роль в первичном взаимодействии фермента с клеткой-мишенью играют гидрофобные взаимодействия. В результате исследователи определили три аминокислотных остатка-кандидата, которые могут быть ключевыми участниками этого процесса.
Чтобы подтвердить правильность результатов моделирования, авторы с помощью молекулярно-генетических подходов получили мутантные формы белка Blp, в которые были внесены точечные замены в позициях предсказанных аминокислотных остатков. Эти замены не повлияли на пространственную структуру мутантных белков. Однако биохимические исследования показали, что замены тирозина в позиции 160 и аспарагина в позиции 136 ухудшили способность протеазы Blp связываться с клеточной стенкой золотистого стафилококка — возбудителя гнойно-воспалительных заболеваний. Это привело и к тому, что способность фермента разрушать клетки патогена снизилась. Такие данные подтверждают ключевую роль тирозина в позиции 160 и аспарагина в позиции 136 для взаимодействия фермента Blp с клеточной стенкой бактериальных клеток. Таким образом, полученные результаты позволили ученым приблизиться к пониманию механизма взаимодействия бактериолитического фермента с клетками-мишенями.
Схема взаимодействия бактериолитической протеазы Blp с фрагментом пептидогликана бактерий
Фото: Ирина Кудрякова / ИБФМ РАН
Схема взаимодействия бактериолитической протеазы Blp с фрагментом пептидогликана бактерий
Фото: Ирина Кудрякова / ИБФМ РАН
«В дальнейшем мы продолжим изучать молекулярные основы работы бактериолитических ферментов. Полученные знания будут полезны для направленной настройки ферментов с целью улучшения их антимикробных свойств. Без четкого понимания работы биомолекулы невозможно разрабатывать эффективные антимикробные препараты нового поколения. Разработка перспективных отечественных антимикробных ферментных препаратов — наша основная цель,— заключает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ирина Кудрякова, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории биохимии клеточной поверхности микроорганизмов Института биохимии и физиологии микроорганизмов имени Г. К. Скрябина РАН.