Chaque année aux États-Unis, au moins 23, 000 personnes meurent d'infections causées par des bactéries résistantes aux antibiotiques, selon les Centers for Disease Control and Prevention.

En utilisant la modélisation informatique, des chercheurs des laboratoires nationaux Sandia et de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign aident à développer les moyens de prévenir certains de ces décès.

Une façon pour les bactéries de développer une résistance à de nombreux antibiotiques différents est de produire des pompes qui crachent de petites molécules inconnues, comme les antibiotiques, avant qu'ils ne puissent faire des dégâts. Les chercheurs ont dévoilé les détails du fonctionnement d'une pompe à antibiotique.

L'objectif final est de développer de nouveaux médicaments pour boucher la pompe afin qu'elle ne puisse pas cracher d'antibiotiques, peut-être restaurer leur efficacité, dit Susan Rempe, Sandia, biophysicienne computationnelle. Elle a ajouté, "Maintenant que nous avons la structure de la pompe et savons comment elle fonctionne, les scientifiques peuvent concevoir une molécule qui adhère étroitement au transporteur. Je pense que c'est faisable à court terme, peut-être cinq ans."

Cette recherche a été publiée récemment dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

Affiner les données pour déterminer la structure détaillée de la pompe

Les chercheurs de pompes spécifiques étudiés, appelé EmrE, vient de E. coli , bactéries courantes qui causent parfois des intoxications alimentaires. La pompe reconnaît et élimine modérément huileux, petites molécules chargées positivement, dit Josh Vermaas, un ancien étudiant diplômé de l'Illinois dont le travail avec Rempe a été soutenu par le programme Campus Executive de Sandia. De nombreux antibiotiques courants, y compris la streptomycine, la doxycycline et le chloramphénicol sont huileux et chargés positivement.

Leur première étape consistait à déterminer une structure détaillée de la pompe. La structure de départ de la pompe était très rugueuse, manquant une grande partie des détails chimiques essentiels, et difforme, dit Vermaas. Rempe a ajouté qu'il peut être particulièrement difficile d'obtenir de bonnes données structurelles de transporteurs de médicaments comme EmrE, car ils sont flexibles. Imaginez devoir prendre une photo d'un tout-petit qui se tortille avec un appareil photo lent :la photo résultante est plus un flou qu'une ressemblance exacte.

Ils ont combiné les données expérimentales d'une variété de méthodes biophysiques courantes telles que la cristallographie aux rayons X, cryo-microscopie électronique et spectroscopie de résonance paramagnétique électronique ainsi que des décennies de connaissance des arrangements internes les plus probables des acides aminés, les éléments constitutifs des protéines, pour produire une structure à haute résolution de la pompe.

"La grande percée a été dans la façon dont nous pouvions prendre des données structurelles médiocres à partir d'expériences et les masser pour arriver à une structure améliorée avec laquelle nous pourrions travailler pour comprendre le mécanisme de la pompe, " dit Rempé.

La modélisation moléculaire révèle le "serrure" et le mécanisme de la pompe

Une fois qu'ils ont eu la structure détaillée de la pompe, le vrai travail a commencé.

D'abord, l'équipe a ajouté une membrane lipidique pour modéliser l'environnement réel de la pompe. Puis, ils ont fait des simulations informatiques pour voir à quoi ressemble la pompe avec zéro, un ou deux protons. La batterie qui alimente cette pompe laisse entrer deux protons. Ils ont effectué des simulations pour voir la transition de la protéine faisant face à l'intérieur de la bactérie vers l'extérieur afin de trouver le chemin "le plus facile" et ainsi voir comment fonctionne la pompe. La modélisation de ce "flip" a pris plus de 80, 000 heures de traitement informatique.

Ils ont également effectué des simulations pour voir à quoi ressemble la pompe avec un exemple de médicament dans la poche de liaison au médicament. Rempe a dit qu'ils ont trouvé beaucoup de flexibilité dans la poche où les antibiotiques se lieraient, ce qui est logique étant donné que la pompe peut reconnaître une grande variété de médicaments. Ils ont également identifié quelques acides aminés critiques qui servent de verrou pour s'assurer que la pompe ne lâche pas les protons bon gré mal gré.

« La résistance aux antibiotiques est un problème important. Le « verrou » sur la pompe est ce qui fait fonctionner ce transporteur. Avec cette connaissance, à l'avenir, nous pouvons développer de nouveaux antibiotiques qui ne sont pas pompés ou qui ne cassent pas le verrou dans EmrE, " a déclaré Vermaas. " Si nous trouvons comment casser la pompe pour qu'elle ne soit pas régulée et qu'elle laisse échapper des protons, ce serait une nouvelle façon de tuer les bactéries."

Recherches supplémentaires sur la lutte contre la résistance aux antimicrobiens

En plus de son travail sur les pompes à antibiotiques, Rempe a également modélisé une protéine qui transporte les toxines du charbon dans les cellules hôtes où elles font des ravages, permettant à la bactérie Bacillus anthracis de prospérer et de provoquer la fièvre charbonneuse. Rempe et ses collaborateurs, dont Sandia postdoc Mangesh Chaudhari, déterminé les mécanismes moléculaires de la façon dont ces toxines pénètrent dans la cellule hôte et développé un bouchon pour bloquer ce processus. Le bio-ingénieur de Sandia, Anson Hatch, a dirigé une équipe qui a fabriqué et testé le bouchon.

Dans un projet de trois ans financé par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire (LDRD) de Sandia, Rempe mène également des études sur un nouvel antimicrobien appelé teixobactine. La teixobactine bloque la production de la paroi cellulaire bactérienne d'une manière unique à laquelle il est difficile pour les bactéries de développer une résistance. Elle et ses collaborateurs de Sandia et de l'Illinois utilisent des simulations et des expériences informatiques pour comprendre comment l'antimicrobien fonctionne pour le rendre plus puissant et plus large. Ils ont publié leurs premières conclusions dans Sciences chimiques , révélant deux façons dont le médicament s'attache aux molécules de graisse spécialisées dans les membranes bactériennes. La liaison obstrue la construction des parois cellulaires protectrices des bactéries.

Bien qu'il soit difficile pour les bactéries à Gram positif, comme Staphylococcus aureus, changer la façon dont ils fabriquent leur paroi cellulaire pour développer une résistance à la teixobactine, l'antimicrobien peut toujours être pompé hors des bactéries avant qu'il ne fasse ses dégâts, rendant pertinentes les recherches de Rempe et Vermaas pour comprendre le mécanisme des pompes à antibiotiques.

Rempé a dit, "La modélisation de la dynamique moléculaire a une très haute résolution dans l'espace et dans le temps, que vous n'obtenez pas d'autres expériences. Nous pouvons voir la dynamique au fil du temps par incréments d'un millionième d'un milliardième de seconde. Nous pouvons également voir des morceaux d'un processus qui n'est pas résolu dans les expériences et déterminer quelles structures chimiques contribuent au travail impliqué. Cela nous donne un avantage pour apprendre comment fonctionnent les agents pathogènes, et cette information peut conduire à de nouvelles thérapies pour contrer ces agents pathogènes. »