Neu entwickelte bakterielle Enzymversionen zeigen, wie Antibiotika wirksamer sein könnten

Forschung, Translationale Medizin, Pressemitteilungen

30. August 2023

Foto: LAGUNA DESIGN/Getty

M Die moderne Medizin ist bei der Behandlung von Infektionen auf Antibiotika angewiesen, indem sie Ziele in Bakterienzellen außer Gefecht setzen. Sobald Antibiotika in diesen Zellen sind, binden sie an bestimmte Stellen spezifischer Enzymziele, um das Bakterienwachstum zu stoppen. Zufällig auftretende Veränderungen (Mutationen) in den Genen für diese Ziele kommen auf natürliche Weise vor und führen in manchen Fällen dazu, dass das Ziel für das Antibiotikum schwerer zu binden ist und die bakterielle Version resistent gegen die Behandlung wird.

Aus diesem Grund gilt: Je mehr Antibiotika im Laufe der Zeit eingesetzt wurden, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich Bakterienpopulationen zu Mutanten entwickeln, die gegen bestehende Antibiotika resistent sind, und desto dringlicher wird der Ruf nach neuen Ansätzen, um zu verhindern, dass die Behandlungen obsolet werden. Forscher untersuchen seit Jahrzehnten resistente Mutanten in der Hoffnung, dass verwandte Mechanismen die Entwicklung neuer Behandlungen zur Überwindung von Resistenzen leiten könnten. Der Aufwand war jedoch begrenzt, da natürlich vorkommende resistente Mutanten nur einen kleinen Teil der Mutationen darstellen, die möglicherweise auftreten könnten (den gesamten Mutationsraum), wobei die meisten Mutationen an der Arzneimittelbindungsstelle bisher übersehen wurden.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, wandte eine neue Studie unter der Leitung von Forschern der NYU Grossman School of Medicine eine Technologie namens MAGE (Multiplex Automated Genome Engineering) an, um das vollständige Inventar der Mutationen in der Bakterienart Escherichia coli zu erstellen, an der sich das Antibiotikum Rifampicin anlagert und dieses deaktiviert essentielles bakterielles Enzym, bekannt als RNA-Polymerase (RNAP). Die Autoren der Studie schufen 760 einzigartige RNAP-Mutanten, indem sie jeden der 38 Aminosäurebausteine, die die Rifampicin-Bindungsstelle auf E. coli bilden, durch jede der 20 in der Natur vorkommenden Aminosäureoptionen ersetzten. Das Wachstum dieses Mutantenpools wurde dann unter verschiedenen Bedingungen getestet, einschließlich der Behandlung mit Rifampicin.

Die am 30. August online in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Studie fand zwei Mutanten, L521Y und T525D, die überempfindlich gegenüber Rifampicin sind. Das Antibiotikum verhindert nicht nur das Wachstum dieser Mutanten, es vernichtet die mutierten Bakterienpopulationen auch nahezu. Das sei ein bemerkenswerter Befund, sagen die Autoren, denn normalerweise tötet Rifampicin E. coli und viele andere bakterielle Krankheitserreger nicht ab, sondern stoppt lediglich deren Wachstum.

„Diese Arbeit liefert eine Karte der RNAP-Wechselwirkungen zwischen Antibiotika und Bakterien, die für Chemiker von Wert sein wird, die daran arbeiten, auf den Studieneffekten aufzubauen, indem sie nicht die Reste der bakteriellen Bindungsstelle, sondern die Struktur von Rifampicin und anderen Antibiotika verändern, sodass sie fester binden.“ erhöhte Wirksamkeit“, sagte Evgeny A. Nudler, Co-Senior Investigator der Studie, PhD, Julie Wilson Anderson Professor für Biochemie in der Abteilung für Biochemie und Molekulare Pharmakologie der NYU Langone Health. „Unsere Ergebnisse legen auch Möglichkeiten nahe, die Fähigkeit von Rifampicin zu verbessern, sich an Proteobakterien, Actinobacter und Firmicutes zu binden, Bakteriengruppen, die natürliche RNAP-Mutationen enthalten, die sie anfällig für Rifampicin machen.“

E. coli speichert genetische Anweisungen in DNA-Ketten, wandelt sie dann aber in verwandtes genetisches Material in RNA um, wobei RNAP die RNA-Ketten aufbaut, die den Aufbau von Proteinen aus Aminosäuren steuern. Die in der neuen Studie erzeugten Mutanten zeigten, dass Rifampicin Bakterien abtötet, indem es RNAP blockiert und so Kollisionen zwischen ihm und der zellulären Maschinerie verursacht, die im selben molekularen Raum arbeitet, um DNA zu duplizieren, während sich Zellen teilen und vermehren. Dies wiederum führt zu tödlichen Brüchen in beiden Strängen der bakteriellen DNA.

In anderen Erkenntnissen der Studie wurde festgestellt, dass einige der Mutationen der E. coli-RNAP-Bindungsstelle die Geschwindigkeit, mit der RNAP RNA aufbaut, und damit die Geschwindigkeit, mit der Rohstoffe, einschließlich Nukleotidbausteinen wie Pyrimidinen, verbraucht werden, erheblich erhöhen. Die Arbeit hat laut den Forschern erhebliche Auswirkungen auf das Verständnis des Wirkmechanismus von Nukleotidanaloga wie dem Krebsmedikament 5FU. Zu verstehen, wie die Nukleotidverarmung Zellen für die Nukleotidversorgung sensibilisiert, könnte bei der Entwicklung neuer Kombinationstherapien hilfreich sein, sagen sie.

„Diese Techniken könnten angewendet werden, um die Bindungsstellen anderer Arzneimitteltypen zu kartieren, insbesondere bei denen, die anfällig für Resistenzen sind“, sagte Aviram Rasouly, PhD, Co-Senior-Studienforscher und Forschungswissenschaftler an der NYU Langone.

Die Finanzierung der Studie erfolgte durch die Zuschüsse T32 AI007180 und R01GM126891 der National Institutes of Health sowie durch die Blavatnik Family Foundation. Die Studie wurde vom MD/Doktoranden Kevin Yang geleitet. Weitere an dieser Studie beteiligte NYU Langone-Forscher waren Maria Cameranesi, Criseyda Martinez, Manjunath Gowder, Yosef Shamovsky, Vitaliy N. Epshtein, Khaled Alzoubi, Zhitai Hao und Ilya Shamovsky. Dr. Nudler ist außerdem Forscher am Howard Hughes Medical Institute.

Greg WilliamsTelefon: [email protected]

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