Röntgenlaser-Wissenschaftler entwickeln eine neue Art zu beobachten, wie Bakterien Antibiotika angreifen

Revolution von Lasern und Quantentechnologien! - Lichtblitze aus Diamanten (Juli 2019).

Anonim

Tuberkulose, eine Lungenkrankheit, die sich durch Husten oder Niesen in der Luft ausbreitet, tötet jetzt weltweit mehr Menschen als jeder andere ansteckende Erreger, so der jüngste globale Tuberkulosebericht der Weltgesundheitsorganisation. Und in Hunderttausenden Fällen pro Jahr versagt die Behandlung, weil die Bakterien, die Tb verursachen, gegen Antibiotika resistent geworden sind.

Jetzt hat ein internationales Forscherteam einen neuen Weg gefunden, um zu untersuchen, wie Tb-Bakterien eine wichtige Familie von Antibiotika inaktivieren: Sie beobachteten den Prozess zum ersten Mal mit einem Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL).

In Experimenten am SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums mischten sie ein Antibiotikum mit einem Enzym namens Beta-Lactamase, das Tb-Bakterien verwenden, und beobachteten dann in Echtzeit, wie das Enzym das Antibiotikum angriff, um es zu deaktivieren.

Die Methode der Forscher, die sogenannte Mix-and-Injection-Serienkristallographie, nutzt die brillanten, ultraschnellen Impulse, die von der Linac Coherent Light Source (LCLS) von SLAC erzeugt werden. Röntgen-Schnappschüsse, die 30 Millisekunden bis 2 Sekunden nach Beginn der Reaktion aufgenommen wurden, zeigten, dass Lactamase an das Antibiotikum Ceftriaxon bindet und eine seiner chemischen Bindungen platzt.

Die Ergebnisse des Experiments wurden heute in BMC Biology veröffentlicht.

"Diese Proof-of-Concept-Studie zeigt, dass wir die Form und die Zwischenstufen der Moleküle während des Prozesses sehen können", sagt Marius Schmidt, Professor an der Universität von Wisconsin Milwaukee, der das Experiment leitete. "Nach Jahrzehnten des Ausprobierens anderer Techniken auf dem Gebiet der Kristallographie ist die Technologie hier."

In der Kristallographie bilden Wissenschaftler einen Kristall aus vielen Kopien eines Proteins und treffen den Kristall mit Röntgenstrahlen, um ein Beugungsmuster auf einem Detektor zu erzeugen, das die atomare Struktur des Proteins zeigt. Diese Struktur ist der Schlüssel zum Verständnis, wie Enzyme und andere Proteine ​​funktionieren.

In der Vergangenheit funktionierte dies nur mit relativ großen Kristallen, die bei diesem Verfahren einen begrenzten Wert haben, da die Lösung, die das Antibiotikum enthält, lange Zeit benötigt, um in den Kristall zu diffundieren und mit dem Enzym zu reagieren. Es ist wichtig, dass die Diffusion schneller ist als die Reaktion, so dass die vielen Proteinmoleküle im Kristall den chemischen Prozess zusammen starten.

Aber LCLS und andere XFELs haben so intensive Strahlen, dass sie Beugungsmuster von viel kleineren Kristallen, einem Millionstel Meter oder weniger, erfassen können, sagte Schmidt, damit das Antibiotikum schnell zum Enzym gelangen kann und die Reaktion mit X aufgezeichnet werden kann -Strahlen.

"Während es elegante Untersuchungen zur Beobachtung von Proteinbewegungen mit lichtinduzierten Veränderungen gab, zeigen unsere Arbeiten, dass eine größere Klasse von Proteinen, nämlich Enzyme, bei LCLS und anderen XFELs zeitaufgelöst untersucht werden kann", sagt Jose Olmos, ein Doktorand an der Rice University, der einer der Hauptautoren der Publikation ist.

In dieser Studie lieferte das Forscherteam winzige Beta-Lactamase-Kristalle, die nur Sekundenbruchteile mit dem Antibiotikum gemischt wurden, bevor sie mit Röntgenpulsen getroffen wurden.

Das Team nahm während der Reaktion Millionen von Röntgenaufnahmen auf und verknüpfte sie zu einer Karte, die Veränderungen in der dreidimensionalen Struktur des Antibiotikums zeigt, wenn es bei Raumtemperatur mit dem Enzym interagiert.

"Für Strukturbiologen lernen wir genau, wie die Biologie funktioniert", sagt Mark Hunter, wissenschaftlicher Mitarbeiter am SLAC und Co-Autor der Studie. "Wir entschlüsseln die Struktur eines Moleküls zu einem bestimmten Zeitpunkt, und es gibt uns eine bessere Vorstellung davon, wie das Molekül funktioniert."

In zukünftigen Experimenten könnte die Aufnahme weiterer Schnappschüsse im Verlauf der Reaktion die Struktur und das chemische Verhalten von Lactamase genauer beschreiben. Mit mehr Informationen könnten Wissenschaftler das Design von Antibiotika manipulieren, um solche Angriffe zu verhindern. Die experimentelle Methode könnte auch angewendet werden, um die Feinheiten anderer Arten von biologischen Prozessen zu lernen, bei denen Enzyme Reaktionen initiieren oder steuern.

"Es gibt eine Menge Aufregung über diese Methode, weil sie den Strukturbiologen diese neue Zeit eröffnet", sagt Hunter. Frühere Arbeiten, die diese Technik nutzten, erfassten das Umklappen eines RNA-Schalters, der für Studien zu Retroviren und Krebs wichtig ist.

Die Wissenschaftler planen, die Methode zu verwenden, um zusätzliche Antibiotika zu betrachten. Sie beabsichtigen auch, höhere Wiederholungsraten - schnelleres Zünden von Röntgenpulsen - zu nutzen, die bei einem zukünftigen Upgrade auf LCLS und beim kürzlich eröffneten European XFEL erwartet werden. Dadurch können Wissenschaftler die benötigten Daten in wenigen Minuten im Vergleich zu Tagen erfassen. Sie könnten auch kürzere Schnappschüsse von den Reaktionen machen, was ein noch vollständigeres Bild der schnellen Chemie vermitteln könnte.

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