I batteri attingono da un arsenale di armi per combattere le droghe destinate a ucciderli. Tra le più diffuse di queste armi ci sono gli enzimi che modificano i ribosomi. Questi enzimi stanno diventando sempre più comuni, comparendo in tutto il mondo in campioni clinici in una gamma di batteri resistenti ai farmaci.
Ora gli scienziati hanno catturato le prime immagini di un’importante classe di questi enzimi in azione. Le immagini mostrano come gli enzimi si attaccano a un particolare sito sul ribosoma batterico e lo schiacciano come un paio di pinzette per estrarre un nucleotide di RNA e alterarlo. IL Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze (PNAS) ha pubblicato i risultati, guidati dagli scienziati della Emory University.
La tecnica avanzata della microscopia crioelettronica ha reso possibili istantanee tridimensionali ad altissima risoluzione.
“Vedere per credere”, afferma Christine Dunham, professore di chimica di Emory e co-autore corrispondente dell’articolo. “Nel momento in cui vedi le strutture biologiche interagire nella vita reale a livello atomico è come risolvere un puzzle. Vedi come tutto si incastra e hai un’idea più chiara di come funzionano le cose.”
Le intuizioni possono portare alla progettazione di nuove terapie antibiotiche per inibire le attività di resistenza ai farmaci degli enzimi RNA metiltransferasi. Questi enzimi trasferiscono un piccolo idrocarburo noto come gruppo metilico da una molecola all’altra, un processo noto come metilazione.
“La metilazione è una delle più piccole modificazioni chimiche in biologia”, afferma Graeme Conn, professore di biochimica alla Emory’s School of Medicine e co-autore corrispondente dell’articolo. “Ma questa minuscola modifica può cambiare radicalmente la biologia. In questo caso, conferisce resistenza che consente ai batteri di eludere un’intera classe di antibiotici”.
Sia Conn che Dunham sono anche membri dell’Emory Antibiotic Resistance Center.
Il primo autore dell’articolo è Pooja Srinivas, che ha svolto il lavoro come dottoranda nel corso di laurea di Emory in farmacologia molecolare e dei sistemi. Da allora si è laureata ed è ora borsista post-dottorato presso l’Università di Washington.
Dunham è uno dei maggiori esperti di ribosomi, una struttura elaborata che funziona come una fabbrica all’interno di una cellula per produrre proteine. Le proteine sono le macchine che fanno funzionare le cellule mentre gli acidi nucleici come il DNA e l’RNA immagazzinano i progetti per la vita. Il ribosoma è costituito principalmente da RNA, che non solo immagazzina informazioni ma può anche agire come enzima, catalizzando reazioni chimiche.
Uno degli obiettivi del laboratorio di Dunham è trovare modi per manipolare i ribosomi batterici per renderli più suscettibili agli antimicrobici. Se un antimicrobico riesce a inattivare i ribosomi batterici, ciò interrompe la produzione di proteine essenziali per la crescita e la sopravvivenza dei batteri.
L’idea è di sfruttare le differenze nei ribosomi cellulari umani e nei ribosomi batterici, in modo che solo i batteri siano presi di mira da un farmaco antimicrobico.
Gli antimicrobici, tuttavia, devono superare le difese batteriche.
“È come una corsa agli armamenti molecolari”, spiega Dunham. I batteri continuano a sviluppare nuove armi come difesa contro i farmaci, mentre gli scienziati sviluppano nuove strategie per disarmare i batteri.
Conn è uno dei massimi esperti nelle armi di difesa batteriche note come enzimi RNA metiltransferasi ribosomiale. Questa famiglia di enzimi è stata originariamente scoperta nei batteri del suolo. Ora sono sempre più presenti nelle infezioni batteriche nelle persone e negli animali, rendendo queste infezioni più difficili da trattare.
“Continuano a presentarsi sempre più spesso nei campioni clinici di alcuni pericolosi batteri patogeni in diverse parti del mondo”, afferma Conn.
Gli enzimi possono guidare la micidiale resistenza ai farmaci in agenti patogeni come Escherichia coli, Salmonella, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa E Enterobatteriacee. Gli enzimi aggiungono un gruppo metilico in un sito specifico sul ribosoma batterico. Questa aggiunta blocca la capacità di una classe di antibiotici noti come aminoglicosidi di legarsi e causare la loro azione antibatterica.
Per il documento PNAS, i ricercatori si sono concentrati su un colpevole all’interno di questa famiglia di enzimi noti come RNA ribosomiale metiltransferasi C, o RmtC.
Per decenni, i ricercatori si sono affidati a una tecnica nota come cristallografia a raggi X per rivelare i dettagli atomici di come funzionano le macchine molecolari quando le molecole sono disposte in un cristallo.
Nel 2015, ad esempio, il laboratorio di Dunham ha ottenuto immagini precise attraverso la cristallografia a raggi X di come un enzima noto come HigB strappa l’RNA per inibire la crescita dei batteri. Limitando la crescita dei batteri che lo compongono, l’HigB stabilisce uno stato dormiente di “cellule persistenti” che rende i batteri tolleranti agli antibiotici.
I segreti di come l’enzima RmtC interagisce con il ribosoma, tuttavia, sono sfuggiti alla cristallografia a raggi X.
“RmtC è molto più complicato”, spiega Dunham. “È un enzima interessante dal punto di vista della scienza di base perché sembra così diverso dagli altri”.
I recenti progressi nella microscopia crioelettronica hanno aperto la porta allo zoom sui complessi meccanismi di RmtC.
La microscopia crioelettronica non richiede la cristallizzazione per rivelare le strutture delle molecole e come interagiscono. Invece, i campioni liquidi vengono congelati rapidamente per formare una matrice vetrosa. La matrice vetrosa conserva la struttura tridimensionale delle molecole e le protegge dal deterioramento dovuto all’intenso fascio di elettroni.
Meisam Nosrati, un ex borsista post-dottorato nel laboratorio Conn e coautore dell’articolo PNAS, ha preparato campioni di RmtC che interagiscono con parte di un Escherichia coli ribosoma. Ha sfruttato l’esperienza del coautore Lindsay Comstock, un chimico della Wake Forest University che ha sviluppato una tecnica per intrappolare e stabilizzare l’enzima nella posizione necessaria.
Nosrati ha quindi congelato i campioni su una minuscola griglia e li ha inviati al Pacific Northwest Center for Cryo-EM per l’imaging.
Come studente laureato nel laboratorio di Dunham, Pooja Srinivas ha quindi analizzato e interpretato il set di dati della microscopia. Ha usato algoritmi informatici per ricucire migliaia di singole immagini. Il risultato ha trasformato le immagini in un flipbook che ha rivelato la complicata struttura di RmtC in azione.
“L’enzima si attacca come una tenaglia al ribosoma”, spiega Dunham. “Stringe la presa fino a spremere un nucleotide dall’interno di un’elica di RNA. Quindi modifica chimicamente quel nucleotide”.
L’enzima è squisitamente specifico su dove si lega al ribosoma, un’enorme macromolecola composta da 50 diverse proteine e 6.000 diversi nucleotidi di RNA.
I ricercatori hanno utilizzato tecniche di biochimica per convalidare che ciò che hanno osservato corrispondeva a precedenti scoperte su come RmtC renda i batteri resistenti agli antimicrobici aminoglicosidici che colpiscono il ribosoma.
I ricercatori stanno ora cercando di sviluppare nuovi modi per contrastare gli effetti di RmtC e dei relativi enzimi basati sulle nuove informazioni.
“La conoscenza della forma dell’enzima mentre esegue la sua reazione chimica ci offre nuovi bersagli per inibirne gli effetti”, afferma Conn. “Ad esempio, potremmo mirare all’azione a tenaglia dell’enzima per cercare di impedirgli di schiacciarsi e legarsi al ribosoma. Ora sappiamo che l’enzima forma una tasca sulla sua superficie dove una piccola molecola potrebbe sedersi per bloccare questa azione”.
Altri coautori del documento PNAS sono Natalia Zelinskaya e Debayan Dey, ricercatori del laboratorio Conn.
Il finanziamento per il lavoro è stato fornito dal National Institutes of Health e dal Burroughs Wellcome Fund Investigator in the Pathogenesis of Infectious Disease Award.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
