Ao revelar a estrutura de uma proteína usada por bactérias para bombear antibióticos, uma equipe de pesquisa projetou uma terapêutica em estágio inicial que sabota a bomba e restaura a eficácia dos antibióticos.
Liderado por pesquisadores da Universidade de Nova York, NYU Grossman School of Medicine e Laura e Isaac Perlmutter Cancer Center da NYU Langone, o novo estudo usou microscopia avançada para "ver" pela primeira vez a estrutura de NorA, uma proteína que a espécie bacteriana Staphylococcus aureus usa para bombear antibióticos amplamente usados ​​antes que eles possam matá-los.

As bombas de efluxo representam um mecanismo pelo qual o S. aureus desenvolveu resistência às fluoroquinolonas, um grupo de mais de 60 antibióticos aprovados que inclui norfloxacina (Noroxin), levofloxacina (Levaquin) e ciprofloxacina (Cipro). As fluoroquinolonas agora são ineficazes contra algumas cepas bacterianas resistentes a medicamentos, incluindo S. aureus resistente à meticilina (MRSA), uma das principais causas de morte entre pacientes hospitalizados quando as infecções se tornam graves, dizem os pesquisadores. Por esta razão, o campo tem procurado projetar inibidores da bomba de efluxo, mas as primeiras tentativas foram prejudicadas pelos efeitos colaterais.

"Em vez de tentar encontrar um novo antibiótico, esperamos tornar os antibióticos mais amplamente utilizados nas últimas décadas, tornados ineficazes pela resistência bacteriana, altamente eficazes novamente", diz o primeiro autor do estudo, Doug Brawley, Ph.D. Ele completou sua tese de doutorado nos laboratórios dos autores sênior Nate Traaseth, Ph.D., professor do Departamento de Química da Universidade de Nova York, e Da-Neng Wang, Ph.D., professor do Departamento de Biologia Celular na NYU Grossman School of Medicine.

Anticorpos para o resgate

Publicado on-line em 31 de março na revista Nature Chemical Biology , o estudo baseia-se nos avanços no desenvolvimento da tecnologia de anticorpos nos últimos anos. As bactérias invasoras acionam o sistema imunológico do corpo para produzir muitos anticorpos ligeiramente diferentes, proteínas moldadas para se ligar e neutralizar invasores específicos.

Para o estudo atual, a equipe de pesquisa usou anticorpos para superar um desafio que impedia a análise da estrutura do NorA. Brawley trabalhou durante anos para ajustar as condições de expressão e purificação necessárias para esta análise, mas a molécula NorA é compacta e dificilmente detectável mesmo com microscopia crioeletrônica avançada (crio-EM).

Como solução, os pesquisadores examinaram uma grande coleção de anticorpos sintéticos – montados pelo laboratório do autor sênior do estudo Shohei Koide, Ph.D., professor do Departamento de Bioquímica e Farmacologia Molecular da NYU Grossman School of Medicine – para encontrar os que se apegou mais firmemente ao NorA. Ao anexar os anticorpos ao NorA, a equipe efetivamente dobrou o tamanho da molécula, o que melhorou as imagens crio-EM e revelou a estrutura da bomba NorA pela primeira vez.

O trabalho também revelou o local onde o anticorpo principal da equipe se encaixou no NorA, como uma chave em uma fechadura. A equipe ficou surpresa ao descobrir que o local onde esse anticorpo se encaixava no NorA era o mesmo local em que o NorA se liga e remove os antibióticos. Essas observações sugeriram que o anticorpo poderia bloquear a bomba, permitir que os antibióticos permanecessem dentro das células bacterianas e interferir no crescimento bacteriano.

A partir da estrutura crio-EM, a equipe também percebeu que a parte do anticorpo mais profundamente incorporada na cavidade de ligação do NorA era um peptídeo curto e em loop, um segmento de blocos de construção de proteínas. "Ficamos empolgados com o fato de um peptídeo isolado correspondente ao loop por si só poder inibir NorA", diz Traaseth. A equipe descobriu que esse peptídeo (denominado NPI-1) funcionava como um inibidor da bomba de efluxo (EPI) e reduzia o crescimento de S. aureus resistente a antibióticos em pratos com nutrientes (culturas) em mais de 95% em altas concentrações quando combinado com o antibiótico norfloxacina.

A análise estrutural também mostrou que o EPI teve muitas interações com blocos de construção de proteínas no bolso estrutural onde NorA se liga a moléculas de antibióticos. “Isso torna altamente improvável que as bactérias possam desenvolver resistência a esse tratamento, porque elas teriam que evoluir aleatoriamente para derrotar de alguma forma o EPI sem tirar a capacidade do local da bomba de efluxo de pegar antibióticos”, diz Wang.

Seguindo em frente, a equipe está trabalhando para melhorar o design de seu EPI. Cada resíduo de NPI-1 pode ser otimizado para maior potência e para reduzir qualquer efeito colateral potencial, dizem os autores. Sua estratégia para desenvolver anticorpos sintéticos para bombas de efluxo semelhantes a NorA pode ajudar a descobrir EPIs contra outros patógenos conhecidos por dependerem de bombas, que incluem Streptococcus pneumonia e Mycobacterium tuberculosis.

"A descoberta desta nova maneira de inibir MRSA demonstra que cinco laboratórios de quatro departamentos - com experiência complementar em biologia estrutural, engenharia de proteínas, química de peptídeos e microbiologia - podem colaborar para realizar o que nenhum poderia sozinho", acrescenta Koide. + Explorar mais

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