Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και διεθνείς συνεργάτες αποκάλυψαν τα ταχεία χημικά στάδια που λαμβάνουν χώρα κατά τον σχηματισμό των αντιβιοτικών βήτα-λακτάμης, όπως η πενικιλίνη.
Τα ευρήματα, τα οποία δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature Catalysis, προσφέρουν σημαντικές γνώσεις που μπορούν να υποστηρίξουν την ανάπτυξη μελλοντικών αντιβιοτικών σε μια περίοδο που η μικροβιακή αντοχή αυξάνεται διαρκώς.
Η παρατήρηση παροδικών ενδιάμεσων σταδίων
Από την εποχή που η πενικιλίνη αναπτύχθηκε ως φάρμακο τη δεκαετία του 1940, οι επιστήμονες μελετούν πώς η φύση κατασκευάζει τον ειδικό δακτύλιο βήτα-λακτάμης που διαθέτει, ο οποίος διαταράσσει τη σύνθεση του κυτταρικού τοιχώματος των βακτηρίων. Ωστόσο, τα βασικά ενδιάμεσα στάδια της αντίδρασης ήταν μέχρι τώρα πολύ δύσκολο να παρατηρηθούν άμεσα επειδή διαρκούν ελάχιστα κλάσματα του δευτερολέπτου.
Χρησιμοποιώντας λέιζερ ελευθέρων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ, οι ερευνητές παρακολούθησαν το ένζυμο ισοπενικιλίνης Ν συνθάσης, γνωστό ως IPNS, καθώς μετατρέπει το γραμμικό πεπτιδικό υπόστρωμα στο δακτύλιο της πενικιλίνης. Η ανάλυση έδειξε λεπτομερώς πώς το ένζυμο επιτυγχάνει αυτή την περίπλοκη μετατροπή σε ένα μόνο βήμα, λύνοντας ένα ερώτημα που παρέμενε αναπάντητο για περισσότερες από τέσσερις δεκαετίες.
Δημιουργία κινηματογραφικής απεικόνισης σε ατομική ανάλυση
Για να συλλάβουν την αντίδραση σε πραγματικό χρόνο, η ομάδα χρησιμοποίησε ένα σύστημα όπου χιλιάδες μικροσκοπικές σταγόνες που περιείχαν αναερόβια μικροκρυστάλλους ενζύμων τοποθετήθηκαν σε μια κινούμενη ταινία. Καθώς η ταινία εισήρχετο σε θάλαμο γεμάτο οξυγόνο, η αντίδραση ξεκινούσε ταυτόχρονα σε ολόκληρο το δείγμα. Με τον έλεγχο της ταχύτητας, οι επιστήμονες μπόρεσαν να καταγράψουν στιγμιότυπα ατομικής ανάλυσης μέσω παλμών λέιζερ.
Ο συνδυασμός αυτών των χιλιάδων στιγμιότυπων δημιούργησε μια μοριακή ταινία βήμα προς βήμα, αποκαλύπτοντας ενδιάμεσα στάδια, όπως ένα θειοαλδεΰδη και έναν μονοκυκλικό δακτύλιο βήτα-λακτάμης. Επιπλέον, η μελέτη έδειξε ότι τα μόρια νερού στο εσωτερικό του ενζύμου και οι λεπτές κινήσεις του παίζουν καθοριστικό ρόλο στην καθοδήγηση της χημικής διαδικασίας.
Σημασία για το μέλλον της ιατρικής και της φαρμακολογίας
Καθώς ένα στα έξι βακτηριακά λοιμώδη νοσήματα είναι πλέον ανθεκτικό στα αντιβιοτικά, η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα ένζυμα ελέγχουν τέτοιες χημικές αντιδράσεις αποκτά κρίσιμη σημασία.
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι η ικανότητα απομόνωσης αυτών των δομικών στιγμιότυπων θα επιτρέψει στο μέλλον τη μηχανική βελτιστοποίηση των ενζύμων για την παραγωγή νέων, βελτιωμένων αντιβιοτικών δομών, ενισχύοντας τα οπλοστάσια της σύγχρονης ιατρικής απέναντι στα ανθεκτικά βακτήρια.