Приглашения, украшения, свечи и торт - есть о чем помнить, когда вы устраиваете день рождения пятилетнему ребенку. Одна вещь, которую мы, к счастью, считаем само собой разумеющимся в Австралии, - это то, что наши пятилетние дети вообще достигают этой вехи.
Но почти полмиллиона детей, инфицированных во всем мире бактерией Streptococcus pneumoniae каждый год, никогда не доживают до своего 5-летия.
Как и COVID-19, Streptococcus pneumoniae распространяется каплями при кашле или чихании. Он вызывает смертельную пневмонию, менингит, сепсис или заражение крови, а также инфекции внутреннего уха, которые обычно вызывают глухоту у детей аборигенов и жителей островов Торресова пролива .
До пандемии COVID-19 S. pneumoniae была ведущей причиной смерти от пневмонии во всем мире. В 2016 году на нее приходилось больше смертей, чем на все другие причины пневмонии вместе взятые.
И это несмотря на широкое использование антибактериальных агентов, вакцин и антибиотиков для защиты от инфекций S. pneumoniae. Наши современные вакцины обеспечивают ограниченную защиту, работая только против части всех штаммов S. pneumoniae. Другая проблема заключается в том, что быстро развивается устойчивость к антибиотикам.
Срочно необходимы новые подходы для предотвращения смерти и лечения заболеваний и инвалидности, вызываемых S. pneumoniae, таких как повреждение головного мозга, потеря слуха и нарушение функции легких во взрослом возрасте.
Одним из новых подходов может быть голодание патогена.
«Витамины и минералы, включая железо, медь, цинк и марганец, имеют решающее значение для здоровья человека, но бактерии также нуждаются в них», - объясняет доцент Меган Махер, структурный биолог и химик из Школы химии и института Bio21 Университета Мельбурна.
Более десяти лет назад профессор Кристофер Макдевитт, заведующий лабораторией Института Доэрти, и доцент Махер начали сотрудничество, чтобы выяснить, что марганец жизненно важен для выживания, метаболизма и инфекционности S. pneumoniae .
Профессор Макдевитт, микробиолог, первым определил, что цинк токсичен для S. pneumoniae, потому что он блокирует попадание марганца в клетку.
Кристаллы белка выращиваются в очень маленьких каплях (примерно 1 микролитр) из чистых препаратов, поэтому их структуру можно определить с помощью рентгеновской кристаллографии. Предоставлено: Меган Махер.
«Наша работа показала, что патоген должен был украсть марганец из организма, чтобы вызвать инфекцию. Частью иммунного ответа организма против бактерии было использование цинка для блокирования этого пути», - говорит профессор МакДевитт.
Зная, что марганец является важным минералом для патогена, профессор Макдевитт и его команда искали и идентифицировали «ворота» или переносчика в S. pneumoniae, которые специфичны для поглощения марганца .
"S. pneumoniae имеет только один переносчик, который принимает это важное питательное вещество. Мы уже знали, что если вы нарушите работу какой-либо части этого переносчика, патоген не сможет вызвать инфекцию. Поскольку этот тип переносчика отсутствует у людей, он вызывает идеальная мишень для новых противомикробных препаратов », - объясняет профессор МакДевитт.
«Конечной целью было определить структуру переносчика, который использует S. pneumoniae, чтобы разработать лекарства против него. В то время это было очень сложно сделать, поэтому профессор Макдевитт подошел ко мне и спросил, пойдем ли мы на это?» - вспоминает доцент Махер.
«Чтобы понять, как работает транспортер, мы использовали рентгеновскую кристаллографию», - говорит доцент Махер.
Этот метод требует, чтобы кристаллы белка были выращены в лаборатории, а затем рентгеновский луч направляется на кристаллы. Для каждого кристалла свет рассеивается уникальным образом, известным как дифракционная картина, чтобы построить точную трехмерную структуру белка. Эти трехмерные структуры изображаются в виде красивых петель, листов и спиралей.
Но извлечение переносчика марганца из S. pneumoniae было особенно сложной задачей, потому что он был плотно встроен в мембрану бактериальной клетки , где он служит для контроля проникновения металла в клетку.
Клеточные мембраны действуют как барьер между внутренней частью клетки, которая содержит механизмы, необходимые для жизни, и внешним миром. Он состоит из молекул жира или «липидов». Это делает мембранные белки, расположенные внутри них, особенно трудными для выделения.
«Это заняло у нас шесть лет, включая время в Университете Ла Троб, и мы завершили его в Институте Био21. Мембранные белки являются одними из самых сложных классов белков, с которыми вы можете работать, и поэтому представляют лишь крошечную часть всех известных белковых структур, потому что они так сложно, поэтому потребовалось шесть лет », - говорит доцент Махер.
«Мы использовали детергенты, чтобы извлечь белок из мембраны и сохранить его растворимым в растворе. Как только белок был покрыт защитой из молекул детергента, мы вырастили кристаллы с присутствующим детергентом».
Кристаллы белка выращиваются в строго контролируемых условиях. Чтобы создать правильные условия для их выращивания, могут потребоваться недели, месяцы и множество попыток.
«Этот транспортер марганца, безусловно, преподнес нам много сюрпризов. Он принадлежит к очень большому семейству белков, называемых« транспортеры ABC », но выглядит совершенно иначе, чем другие в том же семействе, структуры которого уже были обнаружены», - объясняет доцент Махер.
«Он меньше и более компактен, чем другие транспортеры ABC, и имеет характерный путь, по которому проходит марганец. Подобные транспортеры ABC называются« каналами с тефлоновым покрытием », где, как только нужные молекулы попадают в транспортер, они просто скользят через него в клетку без каких-либо взаимодействий », - говорит она.
« Мы обнаружили уникальный карман на полпути через транспортер, который специально взаимодействует с марганцем».
Мембранные белки, которые работают в качестве шлюзов в клеточных мембранах, особенно интересны в качестве мишеней для лекарств из-за их важной роли в транспортировке основных молекул, таких как марганец, а также в передаче сигналов и других функциях.
«Марганец - крошечный химический вид. Для того, чтобы транспортер мог специально выбрать его, необходимо взаимодействие внутри шлюза, чтобы помочь протянуть нужную молекулу. Это пример« координационной химии » , - объясняет профессор МакДевитт.
«С множеством других растворимых белков мы можем предсказать, как они будут выглядеть, потому что у нас уже есть так много других структур в базах данных, с которыми мы можем сравнивать. Поскольку у нас не так много структур для мембранных белков , когда вы получаете новый структура, она часто сильно отличается от уже существующих », - говорит профессор МакДевитт.
«Знание структуры - первый шаг к разработке лекарства или терапии против S. pneumoniae. Наш подход состоит в том, чтобы заблокировать этот путь и предотвратить перенос марганца в бактерию», - говорит профессор МакДевитт.
«Это может быть сделано путем создания определенных лекарственных препаратов на основе антител или других связывающих молекул, которые специально нацелены на этот переносчик и блокируют его. Это то, над чем мы будем работать дальше», - объясняет доцент Махер.
Традиционно антибиотики против S. pneumoniae нацелены на продукцию клеточной стенки, но в настоящее время не существует антибиотиков, нацеленных на питание организма.
Нацеленность на шлюз, который позволяет S. pneumoniae получать незаменимый элемент марганец, - это совершенно новый подход и позитивный шаг к новому способу борьбы с растущей устойчивостью к антибиотикам.
