Todos os anos nos EUA, pelo menos 23, 000 pessoas morrem de infecções causadas por bactérias resistentes a antibióticos, de acordo com os Centros de Controle e Prevenção de Doenças.

Usando modelagem de computador, pesquisadores do Sandia National Laboratories e da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign estão ajudando a desenvolver os meios para prevenir algumas dessas mortes.

Uma das maneiras pelas quais as bactérias desenvolvem resistência a muitos antibióticos diferentes é produzindo bombas que cuspem pequenas moléculas desconhecidas, como antibióticos, antes que eles possam causar qualquer dano. Os pesquisadores revelaram os detalhes de como funciona uma bomba de antibiótico.

O objetivo final é desenvolver novos medicamentos para conectar a bomba de modo que ela não possa cuspir antibióticos, talvez restaurando sua eficácia, disse Susan Rempe, Sandia biofísica computacional. Ela adicionou, “Agora que temos a estrutura da bomba e sabemos como ela funciona, os cientistas podem projetar uma molécula que se adere firmemente ao transportador. Acho que isso é viável a curto prazo, talvez cinco anos. "

Esta pesquisa foi publicada recentemente no Proceedings of the National Academy of Sciences .

Refinar os dados para determinar a estrutura detalhada da bomba

Os pesquisadores de bombas específicos estudaram, chamado EmrE, vem de E. coli , bactérias comuns que ocasionalmente causam intoxicação alimentar. A bomba reconhece e remove moderadamente oleoso, pequenas moléculas carregadas positivamente, disse Josh Vermaas, um ex-aluno de graduação de Illinois cujo trabalho com a Rempe foi apoiado pelo Programa Executivo do Campus de Sandia. Muitos antibióticos comuns, incluindo estreptomicina, A doxiciclina e o cloranfenicol são oleosos e carregados positivamente.

O primeiro passo foi determinar uma estrutura detalhada da bomba. A estrutura inicial da bomba era muito difícil, faltando muitos dos detalhes químicos essenciais, e deformado, Disse Vermaas. Rempe acrescentou que pode ser particularmente desafiador obter bons dados estruturais de transportadores de drogas como o EmrE porque eles são flexíveis. Imagine ter que tirar uma foto de uma criança se contorcendo com uma câmera lenta:a foto resultante é mais um borrão do que uma semelhança exata.

Eles combinaram dados experimentais de uma variedade de métodos biofísicos comuns, como cristalografia de raios-X, microscopia crioeletrônica e espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica, bem como décadas de conhecimento dos arranjos internos mais prováveis ​​de aminoácidos, os blocos de construção das proteínas, para produzir uma estrutura de alta resolução da bomba.

"O grande avanço foi como poderíamos pegar dados estruturais pobres de experimentos e modificá-los para chegar a uma estrutura melhorada com a qual pudéssemos trabalhar para entender o mecanismo da bomba, "disse Rempe.

A modelagem molecular revela o "bloqueio" e o mecanismo da bomba

Assim que obtiveram a estrutura detalhada da bomba, o verdadeiro trabalho começou.

Primeiro, a equipe adicionou uma membrana lipídica para modelar o ambiente real da bomba. Então, eles executaram simulações de computador para ver como fica a bomba com zero, um ou dois prótons. Deixar entrar dois prótons é a bateria que alimenta esta bomba. Eles fizeram simulações para ver a transição da proteína que fica dentro da bactéria para fora, a fim de encontrar o caminho "mais fácil" e, assim, ver como a bomba funciona. Modelar este "flip" levou mais de 80, 000 horas de processamento de computador.

Eles também fizeram simulações para ver a aparência da bomba com um exemplo de medicamento no bolso de fixação do medicamento. Rempe disse que encontrou muita flexibilidade no bolso onde os antibióticos se ligam, o que faz sentido, visto que a bomba pode reconhecer uma grande variedade de drogas. Eles também identificaram alguns aminoácidos essenciais que funcionam como uma trava para garantir que a bomba não libere os prótons à toa.

“A resistência aos antibióticos é um problema importante. O 'bloqueio' da bomba é o que faz este transportador funcionar. Com esse conhecimento, no futuro, podemos desenvolver novos antibióticos que não sejam bombeados ou, de outra forma, quebrar o bloqueio do EmrE, "disse Vermaas." Se descobrirmos como quebrar a bomba para que ela fique desregulada e vaze prótons, essa seria uma nova maneira de matar bactérias. "

Pesquisa adicional sobre o combate à resistência antimicrobiana

Além de seu trabalho com bombas de antibióticos, Rempe também modelou uma proteína que transporta toxinas do antraz para as células hospedeiras, onde causam estragos, permitindo que a bactéria Bacillus anthracis se desenvolva e cause antraz. Rempe e seus colaboradores, incluindo Sandia pós-doutorado Mangesh Chaudhari, determinou os mecanismos moleculares de como essas toxinas entram na célula hospedeira e desenvolveu um plug para bloquear esse processo. O bioengenheiro da Sandia, Anson Hatch, liderou uma equipe que fez e testou o plugue.

Em um projeto de três anos financiado pelo programa Laboratório Direcionado de Pesquisa e Desenvolvimento (LDRD) da Sandia, Rempe também está conduzindo estudos de um novo antimicrobiano chamado teixobactina. A teixobactina bloqueia a produção da parede celular bacteriana de uma forma única que é difícil para as bactérias desenvolverem resistência. Ela e seus colaboradores de Sandia e Illinois estão usando simulações de computador e experimentos para entender como os antimicrobianos funcionam para torná-los mais potentes e de ação mais ampla. Eles publicaram suas descobertas iniciais em Ciência Química , revelando duas maneiras pelas quais a droga se liga a moléculas de gordura especializadas nas membranas bacterianas. A ligação obstrui a construção das paredes celulares protetoras das bactérias.

Embora seja um desafio para bactérias gram-positivas, como Staphylococcus aureus, para mudar a forma como eles fazem sua parede celular para desenvolver resistência à teixobactina, o antimicrobiano ainda pode ser bombeado para fora das bactérias antes de causar seus danos, tornando relevante a pesquisa de Rempe e Vermaas para entender o mecanismo das bombas de antibióticos.

Rempe disse, "A modelagem de dinâmica molecular tem uma resolução muito alta no espaço e no tempo, que você não obtém em outros experimentos. Podemos ver a dinâmica ao longo do tempo em incrementos de um milionésimo de um bilionésimo de segundo. Também podemos ver pedaços de um processo que não é resolvido em experimentos e determinar quais estruturas químicas contribuem para o trabalho envolvido. Isso nos dá uma vantagem em aprender como funcionam os patógenos, e essa informação pode levar a novas terapias para combater esses patógenos. "