یک آنزیم باکتریایی به نام هیستیدین کیناز یک هدف امیدوارکننده برای کلاس های جدید آنتی بیوتیک ها است. با این حال، ساخت داروهایی که این آنزیم را هدف قرار می دهند دشوار بوده است، زیرا این پروتئین یک پروتئین “آب گریز” است که پس از خارج شدن از محل طبیعی خود در غشای سلولی، ساختار خود را از دست می دهد.
اکنون یک تیم به رهبری MIT راهی برای حل شدن این آنزیم در آب پیدا کرده است که می تواند به سرعت داروهای بالقوه ای را که ممکن است با عملکرد آن تداخل داشته باشند، غربالگری کند.
محققان نسخه جدید هیستیدین کیناز خود را با جایگزینی چهار اسید آمینه آبگریز خاص با سه آمینو اسید آبدوست ایجاد کردند. حتی پس از این تغییر قابل توجه، آنها دریافتند که نسخه محلول در آب آنزیم عملکرد طبیعی خود را حفظ کرده است.
هیچ آنتی بیوتیکی وجود ندارد که هیستیدین کیناز را هدف قرار دهد، بنابراین داروهایی که این عملکردها را مختل می کنند ممکن است دسته جدیدی از آنتی بیوتیک ها را معرفی کنند. برای مبارزه با مشکل رو به رشد مقاومت آنتی بیوتیکی، به چنین داروهایی نیاز مبرم دارند.
شوگوانگ ژانگ، دانشمند اصلی آزمایشگاه رسانه MIT و یکی از نویسندگان اصلی مطالعه جدید، گفت: «سالانه بیش از 1 میلیون نفر بر اثر عفونت های مقاوم به آنتی بیوتیک جان خود را از دست می دهند. این پروتئین هدف خوبی است زیرا منحصر به باکتری است و انسان آن را ندارد.
پینگ زو و فی تائو، هر دو استاد دانشگاه جیائو تونگ شانگهای، نویسندگان ارشد این مقاله هستند که امروز در ارتباطات طبیعت منگکه لی، دانشجوی کارشناسی ارشد در دانشگاه جیائو تونگ شانگهای و دانشجوی مدعو سابق در MIT، نویسنده اصلی مقاله است.
هدف دارویی جدید
بسیاری از پروتئین هایی که عملکردهای حیاتی سلولی را انجام می دهند در غشای سلولی تعبیه شده اند. بخش‌های پوشاننده غشاء این پروتئین‌ها آبگریز هستند و به آنها اجازه می‌دهند به لیپیدهایی که غشا را می‌سازند متصل شوند. با این حال، هنگامی که این پروتئین ها از غشاء جدا می شوند، ساختار خود را از دست می دهند و مطالعه آنها یا غربالگری داروهایی که ممکن است با آنها تداخل داشته باشند دشوار می شود.
در سال 2018، ژانگ و همکارانش راهی ساده برای تبدیل این پروتئین ها به نسخه های محلول در آب ابداع کردند که ساختار آنها را در آب حفظ می کند. روش آنها به عنوان کد QTY شناخته می شود، برای حروفی که نشان دهنده آمینو اسیدهای هیدروفیل هستند که در پروتئین ها گنجانده شده اند. لوسین (L) به گلوتامین (Q)، ایزولوسین (I) و والین (V) به ترئونین (T) و فنیل آلانین (F) به تیروزین (Y) تبدیل می شود.
از آن زمان، محققان این روش را بر روی انواع پروتئین های آبگریز، از جمله آنتی بادی ها، گیرنده های سیتوکین و ناقل ها نشان داده اند. این ناقل‌ها شامل پروتئینی است که سلول‌های سرطانی برای پمپاژ داروهای شیمی‌درمانی از سلول‌ها استفاده می‌کنند و همچنین ناقل‌هایی که سلول‌های مغز برای انتقال دوپامین و سروتونین به داخل یا خارج از سلول‌ها استفاده می‌کنند.
در مطالعه جدید، تیم برای اولین بار نشان داد که کد QTY می تواند برای ایجاد آنزیم های محلول در آب که عملکرد آنزیمی خود را حفظ می کنند، استفاده شود.
تیم تحقیقاتی به دلیل پتانسیل آن به عنوان یک هدف آنتی بیوتیکی، تمرکز خود را بر روی هیستیدین کیناز انتخاب کردند. در حال حاضر، بیشتر آنتی بیوتیک ها با آسیب رساندن به دیواره سلولی باکتری یا تداخل در سنتز ریبوزوم ها، اندامک های سلولی که پروتئین ها را می سازند، عمل می کنند. هیچ یک از آنها هیستیدین کیناز، یک پروتئین باکتریایی مهم که فرآیندهایی مانند مقاومت آنتی بیوتیکی و ارتباط سلول به سلول را تنظیم می کند، هدف قرار نمی دهند.
هیستیدین کیناز می تواند چهار عملکرد مختلف از جمله فسفوریلاسیون (فعال کردن سایر پروتئین ها با افزودن یک گروه فسفات به آنها) و دفسفوریلاسیون (حذف فسفات ها) انجام دهد. سلول های انسانی نیز دارای کیناز هستند، اما آنها بر روی اسیدهای آمینه غیر از هیستیدین اثر می گذارند، بنابراین داروهایی که هیستیدین کیناز را مسدود می کنند، بعید است که هیچ تاثیری بر سلول های انسانی داشته باشند.
پس از استفاده از کد QTY برای تبدیل هیستیدین کیناز به شکل محلول در آب، محققان هر چهار عملکرد آن را آزمایش کردند و دریافتند که پروتئین همچنان قادر به انجام آنهاست. این بدان معنی است که این پروتئین می تواند در صفحه نمایش های با کارایی بالا برای آزمایش سریع اینکه آیا ترکیبات دارویی بالقوه با هر یک از این عملکردها تداخل دارند یا خیر، استفاده شود.
ساخت و ساز پایدار
محققان با استفاده از AlphaFold، یک برنامه هوش مصنوعی که می‌تواند ساختارهای پروتئینی را پیش‌بینی کند، ساختاری برای پروتئین جدید خود ایجاد کردند و از شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی برای بررسی نحوه تعامل آن با آب استفاده کردند. آنها دریافتند که این پروتئین با آب پیوندهای هیدروژنی تثبیت کننده ای ایجاد می کند که به حفظ ساختار خود کمک می کند.
آنها همچنین دریافتند که اگر آنها فقط اسیدهای آمینه آبگریز مدفون شده در بخش گذرنده را جایگزین کنند، پروتئین عملکرد خود را حفظ نخواهد کرد. اسیدهای آمینه آبگریز باید در سراسر بخش گذرنده جایگزین شوند، که به مولکول کمک می کند تا اتصالات ساختاری مورد نیاز خود را برای عملکرد طبیعی حفظ کند.
ژانگ اکنون قصد دارد این روش را روی متان مونوکسیژناز، آنزیمی که در باکتری‌ها یافت می‌شود و می‌تواند متان را به متانول تبدیل کند، آزمایش کند. یک نسخه محلول در آب از این آنزیم را می‌توان در مکان‌هایی که متان آزاد می‌کنند، مانند انبارهایی که گاوها در آن زندگی می‌کنند یا یخ‌های دائمی ذوب می‌شود، اسپری کرد که به حذف تکه‌ای بزرگ از متان، یک گاز گلخانه‌ای، از جو کمک می‌کند.
ژانگ می‌گوید: «اگر بتوانیم از همان ابزار، کد QTY، روی متان مونواکسیژناز استفاده کنیم و از این آنزیم برای تبدیل متان به متانول استفاده کنیم، می‌تواند تغییرات آب و هوایی را کاهش دهد.»
ویلیام دگرادو، پروفسور شیمی دارویی در دانشگاه کالیفرنیا سانفرانسیسکو که در این تحقیق شرکت نداشت، گفت: تکنیک QTY همچنین می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا اطلاعات بیشتری در مورد نحوه حمل سیگنال‌ها توسط پروتئین‌های گذرنده بیاموزند.
دگرادو می‌گوید: «این پیشرفت بزرگی است که بتوانیم پروتئین‌های محلول در آب از نظر عملکردی مرتبط بسازیم. “یک سوال مهم این است که سیگنال‌ها چگونه از طریق غشاها منتقل می‌شوند و این کار راه جدیدی برای نزدیک شدن به این سوال ارائه می‌کند.”
این تحقیق تا حدی توسط بنیاد ملی علوم طبیعی چین تامین مالی شد.
