En révélant la structure d'une protéine utilisée par les bactéries pour pomper les antibiotiques, une équipe de recherche a conçu un traitement précoce qui sabote la pompe et restaure l'efficacité des antibiotiques.

Dirigée par des chercheurs de l'Université de New York, de la NYU Grossman School of Medicine et du Laura and Isaac Perlmutter Cancer Center de NYU Langone, la nouvelle étude a utilisé la microscopie avancée pour "voir" pour la première fois la structure de NorA, une protéine que l'espèce bactérienne Staphylococcus aureus utilise pour pomper des antibiotiques largement utilisés avant qu'ils ne puissent les tuer.

Les pompes à efflux représentent un mécanisme par lequel S. aureus a développé une résistance aux fluoroquinolones, un groupe de plus de 60 antibiotiques approuvés qui comprend la norfloxacine (Noroxin), la lévofloxacine (Levaquin) et la ciprofloxacine (Cipro). Les fluoroquinolones sont désormais inefficaces contre certaines souches bactériennes résistantes aux médicaments, notamment le S. aureus résistant à la méthicilline (SARM), une cause majeure de décès chez les patients hospitalisés lorsque les infections deviennent graves, selon les chercheurs. Pour cette raison, le domaine a cherché à concevoir des inhibiteurs de pompe à efflux, mais les premières tentatives ont été entravées par des effets secondaires.

"Au lieu d'essayer de trouver un nouvel antibiotique, nous espérons rendre les antibiotiques les plus largement utilisés au cours des dernières décennies, rendus inefficaces par la résistance bactérienne, à nouveau hautement efficaces", déclare le premier auteur de l'étude, Doug Brawley, Ph.D. Il a terminé sa thèse de doctorat dans les laboratoires des auteurs principaux Nate Traaseth, Ph.D., professeur au Département de chimie de l'Université de New York, et Da-Neng Wang, Ph.D., professeur au Département de biologie cellulaire. à la NYU Grossman School of Medicine.

Les anticorps à la rescousse

Publié en ligne le 31 mars dans la revue Nature Chemical Biology , l'étude s'appuie sur les progrès du développement de la technologie des anticorps au cours des dernières années. Les bactéries envahissantes incitent le système immunitaire du corps à fabriquer de nombreux anticorps légèrement différents, des protéines conçues pour se fixer à des envahisseurs spécifiques et les neutraliser.

Pour l'étude actuelle, l'équipe de recherche a utilisé des anticorps pour surmonter un défi qui avait empêché l'analyse de la structure de NorA. Brawley a travaillé pendant des années pour affiner les conditions d'expression et de purification nécessaires à cette analyse, mais la molécule NorA est compacte et à peine détectable, même avec une cryo-microscopie électronique avancée (cryo-EM).

En guise de solution, les chercheurs ont passé au crible une vaste collection d'anticorps synthétiques - assemblés par le laboratoire de l'auteur principal de l'étude Shohei Koide, Ph.D., professeur au Département de biochimie et de pharmacologie moléculaire de la NYU Grossman School of Medicine - pour trouver ceux celle attachée le plus étroitement à NorA. En attachant les anticorps à NorA, l'équipe a effectivement doublé la taille de la molécule, ce qui a amélioré les images cryo-EM et révélé la structure de la pompe NorA pour la première fois.

Les travaux ont également révélé le site où l'anticorps principal de l'équipe s'est ancré dans NorA, comme une clé dans une serrure. L'équipe a été surprise de constater que l'endroit où cet anticorps s'insérait dans NorA était le même endroit où NorA s'accroche et supprime les antibiotiques. Ces observations suggèrent que l'anticorps pourrait bloquer la pompe, permettre aux antibiotiques de rester à l'intérieur des cellules bactériennes et interférer avec la croissance bactérienne.

À partir de la structure cryo-EM, l'équipe a également réalisé que la partie de l'anticorps la plus profondément intégrée dans la cavité de liaison de NorA était un court peptide en boucle, un segment de blocs de construction protéiques. "Nous sommes devenus enthousiastes à l'idée qu'un peptide isolé correspondant à la boucle par lui-même puisse inhiber NorA", déclare Traaseth. L'équipe a découvert que ce peptide (appelé NPI-1) fonctionnait comme un inhibiteur de la pompe à efflux (EPI) et réduisait la croissance de S. aureus résistant aux antibiotiques dans des plats contenant des nutriments (cultures) de plus de 95 % à des concentrations élevées lorsqu'il était combiné avec l'antibiotique. norfloxacine.

L'analyse structurelle a également montré que l'EPI avait de nombreuses interactions avec les éléments constitutifs des protéines dans la poche structurelle où NorA se fixe aux molécules antibiotiques. "Cela rend hautement improbable que les bactéries puissent développer une résistance à un tel traitement, car elles devraient évoluer au hasard pour vaincre d'une manière ou d'une autre l'IPE sans enlever la capacité du site de la pompe à efflux à saisir les antibiotiques", explique Wang.

À l'avenir, l'équipe travaille à améliorer la conception de son PEV. Chaque résidu de NPI-1 peut être optimisé pour une plus grande puissance et pour réduire tout effet secondaire potentiel, disent les auteurs. Leur stratégie de développement d'anticorps synthétiques contre les pompes à efflux de type NorA pourrait aider à découvrir des IPE contre d'autres agents pathogènes connus pour dépendre des pompes, notamment Streptococcus pneumonia et Mycobacterium tuberculosis.

« La découverte de cette nouvelle façon d'inhiber le SARM démontre que cinq laboratoires de quatre départements, dotés d'une expertise complémentaire en biologie structurale, ingénierie des protéines, chimie des peptides et microbiologie, peuvent collaborer pour accomplir ce qu'aucun ne pourrait faire seul », ajoute Koide. + Explorer plus loin

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