Cómo las enzimas solubles en agua del MIT podrían cambiar el juego

Investigadores del MIT han desarrollado una versión soluble en agua de la enzima bacteriana histidina quinasa, que es un objetivo prometedor para nuevos antibióticos debido a su presencia única en las bacterias. La enzima modificada mantiene sus funciones naturales y podría ser crucial en la lucha contra la resistencia a los antibióticos, que se cobra más de un millón de vidas al año. Crédito: SciTechDaily.com

Los científicos han creado una versión soluble en agua de una importante enzima bacteriana, que ahora puede utilizarse en pruebas de detección de fármacos para identificar nuevos antibióticos.

MIT Los investigadores han diseñado una histidina quinasa soluble en agua, una enzima bacteriana que podría conducir a una nueva clase de antibióticos destinados a abordar el creciente problema de la resistencia a los antibióticos. Este desarrollo también allana el camino para el uso de técnicas similares para mitigar problemas ambientales como las emisiones de gases de efecto invernadero.

Histidina quinasa como objetivo antibiótico

Una enzima bacteriana llamada histidina quinasa es un objetivo prometedor para nuevas clases de antibióticos. Sin embargo, ha sido difícil desarrollar fármacos que se dirijan a esta enzima, porque es una proteína «hidrófoba» que pierde su estructura una vez que se retira de su lugar normal en la membrana celular.

Ahora, un equipo dirigido por el MIT ha encontrado una manera de hacer que la enzima sea soluble en agua, lo que podría permitir detectar rápidamente posibles fármacos que podrían interferir con sus funciones.

Los investigadores crearon su nueva versión de histidina quinasa reemplazando cuatro hidrofóbicos específicos. aminoácidos con tres hidrófilos. Incluso después de este cambio significativo, descubrieron que la versión soluble en agua de la enzima conservaba sus funciones naturales.

Aplicaciones prometedoras en resistencia a los antibióticos

Ningún antibiótico existente se dirige a la histidina quinasa, por lo que los fármacos que alteran estas funciones pueden representar una nueva clase de antibióticos. Estos candidatos a fármacos son muy necesarios para combatir el creciente problema de la resistencia a los antibióticos.

«Cada año, más de un millón de personas mueren a causa de infecciones resistentes a los antibióticos», dice Shuguang Zhang, científico investigador jefe del MIT Media Lab y uno de los autores principales del nuevo estudio. «Esta proteína es un buen objetivo porque es exclusiva de las bacterias y los humanos no la tenemos».

Ping Xu y Fei Tao, ambos profesores de la Universidad Jiao Tong de Shanghai, también son autores principales del artículo, que se publicó el 10 de junio en Comunicaciones de la naturaleza. Mengke Li, estudiante de posgrado en la Universidad Jiao Tong de Shanghai y ex estudiante visitante en el MIT, es la autora principal del artículo.

Innovaciones en la solubilización de proteínas.

La mayoría de las proteínas que realizan funciones celulares críticas están incrustadas en la membrana celular. Los segmentos de estas proteínas que recubren la membrana son hidrofóbicos, lo que les permite asociarse con los lípidos que forman la membrana. Sin embargo, una vez extraídas de la membrana, estas proteínas tienden a perder su estructura, lo que dificulta su estudio o detección de fármacos que puedan interferir con ellas.

En 2018, Zhang y sus colegas idearon una forma sencilla de convertir estas proteínas en versiones solubles en agua, que conservan su estructura en agua. Su técnica se conoce como código QTY, por las letras que representan los aminoácidos hidrófilos que se incorporan a las proteínas. La leucina (L) se convierte en glutamina (Q), la isoleucina (I) y la valina (V) se convierten en treonina (T) y la fenilalanina (F) se convierte en tirosina (Y).

Desde entonces, los investigadores han demostrado esta técnica en una variedad de proteínas hidrofóbicas, incluidos anticuerpos, receptores de citoquinas y transportadores. Esos transportadores incluyen una proteína que las células cancerosas usan para bombear medicamentos de quimioterapia fuera de las células, así como transportadores que las células cerebrales usan para mover la dopamina y la serotonina dentro y fuera de las células.

En el nuevo estudio, el equipo comenzó a demostrar, por primera vez, que el código QTY se puede utilizar para crear enzimas solubles en agua que conserven su función enzimática.

El equipo de investigación decidió centrarse en la histidina quinasa en parte debido a su potencial como objetivo antibiótico. Actualmente, la mayoría de los antibióticos actúan dañando las paredes celulares bacterianas o interfiriendo con la síntesis de ribosomas, los orgánulos celulares que fabrican proteínas. Ninguno de ellos se dirige a la histidina quinasa, una importante proteína bacteriana que regula procesos como la resistencia a los antibióticos y la comunicación entre células.

La histidina quinasa puede realizar cuatro funciones diferentes, incluida la fosforilación (activación de otras proteínas añadiéndoles un grupo fosfato) y la desfosforilación (eliminación de fosfatos). Las células humanas también tienen quinasas, pero actúan sobre aminoácidos distintos de la histidina, por lo que es poco probable que los medicamentos que bloquean la histidina quinasa tengan algún efecto en las células humanas.

Después de usar el código QTY para convertir la histidina quinasa a una forma soluble en agua, los investigadores probaron sus cuatro funciones y descubrieron que la proteína aún podía realizarlas. Esto significa que esta proteína se puede utilizar en pantallas de alto rendimiento para probar rápidamente si posibles compuestos farmacológicos interfieren con alguna de esas funciones.

Potencial para un impacto científico más amplio

Usando AlphaFold, un inteligencia artificial Con un programa que puede predecir estructuras de proteínas, los investigadores generaron una estructura para su nueva proteína y utilizaron simulaciones de dinámica molecular para investigar cómo interactúa con el agua. Descubrieron que la proteína forma enlaces de hidrógeno estabilizadores con el agua, que le ayudan a mantener su estructura.

También descubrieron que si reemplazan sólo los aminoácidos hidrofóbicos enterrados en el segmento transmembrana, la proteína no conserva su función. Los aminoácidos hidrofóbicos deben reemplazarse durante el segmento transmembrana, lo que ayuda a la molécula a mantener las relaciones estructurales que necesita para funcionar normalmente.

Direcciones futuras y aplicaciones ambientales

Zhang ahora planea probar este enfoque con la metano monooxigenasa, una enzima que se encuentra en las bacterias y que puede convertir el metano en metanol. Se puede rociar una versión soluble en agua de esta enzima en los sitios de liberación de metano, como establos de ganado, o para derretir el permafrost, lo que ayuda a eliminar una gran cantidad de metano, un gas de efecto invernadero, de la atmósfera.

«Si podemos usar la misma herramienta, el código QTY, en la metano monooxigenasa, y usar esa enzima para convertir metano en metanol, eso podría revertir el cambio climático», dice Zhang.

La técnica QTY también podría ayudar a los científicos a aprender más sobre cómo las proteínas transmembrana transmiten las señales, dice William DeGrado, profesor de química farmacéutica de la Universidad de California en San Francisco, que no participó en el estudio.

«Poder producir proteínas solubles en agua funcionalmente relevantes es un gran avance», dice DeGrado. «Una cuestión importante es cómo se transmiten las señales a través de las membranas, y este trabajo proporciona una nueva forma de abordar esa cuestión».

Referencia: «Diseño de receptor de quinasa transmembrana soluble en agua con función molecular intacta con código QTY» por Mengke Li, Hongzhi Tang, Rui Qing, Yanze Wang, Jiongqin Liu, Rui Wang, Shan Lyu, Lina Ma, Ping Xu, Shuguang Zhang y Fei Tao, 10 de junio de 2024, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-024-48513-9

La investigación fue financiada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.