Пресс-центр / новости / Наука /

Киназа-биоскэвенджер обеспечивает антибиотикорезистентность, необычайно эффективно связывая свой субстрат

Исследователи из Лаборатории биокатализа ИБХ РАН открыли фермент – киназу AmiN, обеспечивающую резистентность к антибиотику амикумацину. Уникальность данной киназы заключается в ее необычайно высоком сродстве к субстрату, позволяющему высокоэффективно элиминировать даже следовые количества антибиотика в диапазоне наномолярных концентраций. Комплекс методов, включающих рентгеноструктурный анализ и математическое моделирование, позволил детально исследовать совершенный механизм катализа, связанный с закрытием активного центра фермента. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances,

Григоров Артем

Terekhov SS, Mokrushina YANazarov ASZlobin ASZalevsky AO, Bourenkov GP, Golovin AV,Belogurov AA, Osterman IA, Kulikova AA, Mitkevich VA, Hua Jane Lou, Benjamin E. Turk, Matthias Wilmanns, Smirnov IV, Sidney Altman & Gabibov AG

Миллиарды лет эволюции привели к тому, что живые организмы создали широкую палитру высокотоксичных соединений, направленных на элиминацию конкурирующих видов. С другой стороны, неустанно происходила эволюция механизмов резистентности к этим соединениям. Эти эволюционно совершенные механизмы встречаются повсеместно во всех царствах, от микробов до многоклеточных организмов.

Конкурируя с природой, исследователи разработали искусственные каталитические биоскэвенджеры для защиты от высокотоксичных синтетических отравляющих веществ. Исследования в этой области показали, что защита от боевых отравляющих веществ может быть достигнута либо в результате необычайно эффективного и необратимого связывания, либо в результате ферментативного катализа с эффективностью на уровне диффузионного предела. Столь экстремальные параметры являются необходимым условием элиминации следовых количеств летальных агентов.

Биоразнообразие микробных сообществ поддерживаются сложной сетью взаимодействий между бактериями-убийцами и резистентными бактериями, конкурирующими друг с другом за колонизацию различных экологических ниш. Бактерии используют молекулы антибиотиков, чтобы убить своих конкурентов. В свою очередь, давление отбора стимулирует эволюцию ферментов, инактивирующих антибиотики. Таким образом, они могут рассматриваться как природные каталитические биоскэвенджеры, созданные для детоксикации сильнодействующих агентов. В отличие от искусственно созданных биоскэвенджеров, более широкая субстратная специфичность обычно является более выгодным вектором селекции в природных микробных сообществах, что наблюдается для ферментов, обеспечивающих устойчивость к аминогликозидам и макролидам.

Сотрудники Лаборатории биокатализа совместно с российскими и зарубежными коллегами провели исследование и идентифицировали уникальную киназу-биоскэвенджер AmiN бактерии Bacillus pumilus, выделенной из микробиоты пасти сибирского медведя (Ursus arctos collaris) с использованием ультравысокопроизводительной микрофлюидной платформы. Глубокое функциональное профилирование наивного медвежьего микробиома позволило отобрать продуцентов антибиотиков и антибиотикорезистентные бактерии. В отличие от обычных киназ, обеспечивающих устойчивость к антибиотикам, AmiN имеет выдающуюся каталитическую эффективность kcat/KM = 3.4 ± 0.7 × 108 M−1 с−1, близкую к диффузионному пределу. Эта необычайная каталитическая эффективность является следствием высокоэффективного связывания, одного из сильнейших среди ферментов, использующих низкомолекулярные субстраты. Скорость реакции подчиняется кинетике Михаэлиса-Ментен при субмикромолярных концентрациях антибиотика, демонстрируя KM 25 ± 5.2 нМ для амикумацина. Эти результаты согласуются с наблюдаемым Kd = 80 ± 25 нМ для комплекса AmiN с амикумацином в присутствии негидролизуемого аналога АТФ (AMP-PNP).

Исключительная специфичность AmiN в отношении амикумацина опосредована механизмом его функционирования, основанном на субстрат-зависимом закрытии активного центра. Уникальная аффинность AmiN к субстрату обусловлена наличием дополнительной субстрат-связывающей петли, образующей уникальную структуру – π-бокс, не встречающуюся у других киназ антибиотиков. Комплекс методов, включающих кристаллографический анализ и математическое моделирование, позволил детально исследовать совершенный механизм катализа, включающий динамику AmiN и перестройку активного центра, инициирующую фосфорилирование антибиотика.

Биологическая функция AmiN ассоциирована с кластером генов биосинтеза антибиотика амикумацина, содержащим киназо-фосфатазный цикл, регулирующий продукцию антибиотика и ауторезистентность. AmiN имеет многочисленных гомологов у бацилл (AmiN-подобные киназы), подчеркивающие его значимость для их экологии и выживания в дикой природе. Рекомбинантная продукция AmiN и его гомологов обеспечивает резистентность к амикумацину у бактерий, как грамположительных, так и грамотрицательных, а также клеток млекопитающих.

Киназа AmiN является членом ранее неизвестного подсемейства, которое эволюционировало для фосфорилирования узкого спектра антибиотиков, представляя первое свидетельство специализированного фосфотрансферазного биоскэвенджера. Открытие AmiN-подобных киназ является ярким примером того, что число неверно аннотированных ферментов, а также ферментов с уникальной функциональной активностью чрезвычайно обширно. Это существенно затрудняет точное предсказание резистомов. Всестороннее понимание эволюционных ландшафтов и биоразнообразия ферментов устойчивости к антибиотикам наряду с детализированным атомистической описанием механизмов резистентности улучшит прогнозирование угроз, которые несет антибиотикорезистентность, а также разработку направленных стратегий их предотвращения.

26 июня