활동 중인 효소의 이미지는 항생제 내성 박테리아의 비밀을 밝힙니다.

박테리아는 자신을 죽이려는 약물과 싸우기 위해 무기고에서 무기를 꺼냅니다. 이러한 무기 중 가장 널리 퍼진 것은 리보솜 변형 효소입니다. 이러한 효소는 점점 보편화되고 있으며 다양한 약물 내성 박테리아의 임상 샘플에서 전 세계적으로 나타나고 있습니다.

이제 과학자들은 작용하는 이러한 효소의 한 중요한 부류에 대한 최초의 이미지를 포착했습니다. 이미지는 효소가 어떻게 박테리아 리보솜의 특정 부위에 달라붙어 핀셋처럼 압착하여 RNA 뉴클레오티드를 추출하고 변경하는지 보여줍니다. PNAS(National Academy of Sciences) 회보에 Emory University의 과학자들이 이끄는 연구 결과가 발표되었습니다.

극저온 전자 현미경의 첨단 기술은 초고해상도의 3차원 스냅샷을 가능하게 했습니다.

“보는 것이 믿는 것입니다. “원자 수준에서 실생활에서 상호 작용하는 생물학적 구조를 보는 순간 직소 퍼즐을 푸는 것과 같습니다. 모든 것이 어떻게 조화를 이루는지 확인하고 사물이 어떻게 작동하는지 더 명확하게 이해할 수 있습니다.”

이러한 통찰력은 RNA 메틸트랜스퍼라제 효소의 약물 내성 활동을 억제하는 새로운 항생제 치료법의 설계로 이어질 수 있습니다. 이 효소는 메틸기로 알려진 작은 탄화수소를 한 분자에서 다른 분자로 옮기는데, 이 과정을 메틸화라고 합니다.

“메틸화는 생물학에서 가장 작은 화학적 변형 중 하나입니다. “그러나 이 작은 수정은 생물학을 근본적으로 바꿀 수 있습니다. 이 경우 박테리아가 전체 종류의 항생제를 피할 수 있는 저항성을 부여합니다.”

Conn과 Dunham은 모두 Emory Antibiotic Resistance Center의 회원이기도 합니다.

이 논문의 첫 번째 저자는 Emory의 분자 및 시스템 약리학 대학원 프로그램에서 박사 후보로 일한 Pooja Srinivas입니다. 그녀는 졸업 후 현재 워싱턴 대학교에서 박사후 연구원으로 재직 중입니다.

Dunham은 단백질을 제조하기 위해 세포 내에서 공장처럼 작동하는 정교한 구조인 리보솜에 대한 선도적인 전문가입니다. 단백질은 세포를 작동시키는 기계이고 DNA와 RNA와 같은 핵산은 생명의 청사진을 저장합니다. 리보솜은 대부분 정보를 저장할 뿐만 아니라 화학 반응을 촉매하는 효소 역할을 할 수 있는 RNA로 구성되어 있습니다.

Dunham 연구실의 목표 중 하나는 박테리아 리보솜을 조작하여 항균제에 더 민감하게 만드는 방법을 찾는 것입니다. 항균제가 세균의 리보솜을 성공적으로 비활성화하면 세균의 성장과 생존에 필수적인 단백질 생산이 중단됩니다.

아이디어는 인간 세포 리보솜과 박테리아 리보솜의 차이를 이용하여 박테리아만 항균 약물의 표적이 되도록 하는 것입니다.

그러나 항균제는 세균 방어를 통과해야 합니다.

“분자 군비 경쟁과 같습니다.”라고 Dunham은 설명합니다. 박테리아는 약물에 대한 방어 수단으로 새로운 무기를 계속 진화시키고 과학자들은 박테리아를 무장 해제하기 위한 새로운 전략을 발전시킵니다.

Conn은 리보솜 RNA 메틸트랜스퍼라제 효소로 알려진 박테리아 방어 무기 분야의 선도적인 전문가입니다. 이 계열의 효소는 원래 토양 박테리아에서 발견되었습니다. 그들은 이제 사람과 동물의 박테리아 감염에서 점점 더 많이 발견되어 이러한 감염을 치료하기 어렵게 만듭니다.

Conn은 “그들은 세계 여러 지역에서 일부 불쾌한 박테리아 병원체의 임상 샘플에서 점점 더 자주 나타납니다.”라고 말했습니다.

효소는 E. coli, Salmonella, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa 및 Enterobacteriaceae와 같은 병원체에서 치명적인 약물 내성을 유발할 수 있습니다. 효소는 박테리아 리보솜의 특정 부위에 메틸기를 추가합니다. 이러한 추가는 아미노글리코사이드로 알려진 항생제 계열이 결합하여 항균 작용을 일으키는 능력을 차단합니다.

PNAS 논문에서 연구원들은 리보솜 RNA 메틸트랜스퍼라제 C(RmtC)로 알려진 이 계열의 효소 내 범인에 초점을 맞췄습니다.

수십 년 동안 연구원들은 분자가 결정에 배열될 때 분자 기계가 어떻게 작동하는지에 대한 원자 세부 정보를 밝히기 위해 X선 결정학으로 알려진 기술에 의존해 왔습니다.

예를 들어, 2015년에 Dunham의 연구실은 HigB로 알려진 효소가 박테리아의 성장을 억제하기 위해 RNA를 찢어내는 방법에 대한 X선 결정학을 통해 정확한 사진을 얻었습니다. 그것을 만드는 박테리아의 성장을 억제함으로써 HigB는 박테리아가 항생제에 내성을 갖게 하는 휴면 “지속 세포” 상태를 확립합니다.

그러나 RmtC 효소가 리보솜과 어떻게 상호작용하는지에 대한 비밀은 X선 결정학에서 밝혀내지 못했습니다.

“RmtC는 훨씬 더 복잡합니다.”라고 Dunham은 설명합니다. “다른 효소와 너무 다르게 생겼기 때문에 기초 과학 관점에서 흥미로운 효소입니다.”

극저온 전자 현미경의 최근 발전으로 RmtC의 복잡한 메커니즘을 확대할 수 있는 문이 열렸습니다.

극저온 전자 현미경은 분자 구조와 상호 작용 방식을 밝히기 위해 결정화가 필요하지 않습니다. 대신, 액체 샘플은 유리질 매트릭스를 형성하기 위해 빠르게 동결됩니다. 유리질 매트릭스는 분자의 3차원 구조를 유지하고 강렬한 전자빔에 의한 열화로부터 분자를 보호합니다.

Conn 연구소의 전 박사후 연구원이자 PNAS 논문의 공동 저자인 Meisam Nosrati는 대장균 리보솜의 일부와 상호 작용하는 RmtC 샘플을 준비했습니다. 그는 필요한 위치에 효소를 가두어 안정화시키는 기술을 개발한 웨이크 포레스트 대학의 화학자 공동 저자 Lindsay Comstock의 전문 지식을 활용했습니다.

그런 다음 Nosrati는 작은 그리드에서 샘플을 동결하고 이미징을 위해 Cryo-EM을 위한 태평양 북서부 센터로 보냈습니다.

Dunham 연구실의 대학원생으로서 Pooja Srinivas는 현미경 데이터 세트를 분석하고 해석했습니다. 그녀는 컴퓨터 알고리즘을 사용하여 수천 개의 개별 이미지를 함께 연결했습니다. 그 결과 이미지가 RmtC의 복잡한 구조를 보여주는 플립북으로 바뀌었습니다.

“효소는 집게발처럼 리보솜에 달라붙습니다.”라고 Dunham은 설명합니다. “그것은 RNA 나선의 내부에서 뉴클레오티드를 짜낼 때까지 그립을 강화합니다. 그런 다음 그 뉴클레오티드를 화학적으로 수정합니다.”

이 효소는 50개의 서로 다른 단백질과 6,000개의 서로 다른 RNA 뉴클레오티드로 구성된 거대한 거대 분자인 리보솜에 결합하는 위치에 대해 정교하게 특이적입니다.

연구원들은 생화학 기술을 사용하여 RmtC가 리보솜을 표적으로 하는 아미노글리코사이드 항균제에 박테리아가 내성을 갖게 만드는 방법에 대한 이전 연구 결과와 일치하는지 확인했습니다.

연구자들은 이제 새로운 정보를 기반으로 RmtC 및 관련 효소의 영향에 대응하는 새로운 방법을 개발하려고 노력하고 있습니다.

“화학 반응을 수행할 때 효소의 모양에 대한 지식은 우리에게 그 효과를 억제할 새로운 목표를 제공합니다.”라고 Conn은 말합니다. “예를 들어, 우리는 효소가 리보솜을 압착하고 결합하는 것을 방지하기 위해 효소의 집게 작용을 표적으로 삼을 수 있습니다. 이제 우리는 효소가 작은 분자가 이 작용을 차단하기 위해 앉을 수 있는 표면에 주머니를 형성한다는 것을 알고 있습니다.”

PNAS 논문의 추가 공동 저자는 Conn 연구소의 연구 과학자인 Natalia Zelinskaya와 Debayan Dey입니다.

연구 자금은 National Institutes of Health와 Burroughs Wellcome Fund Investigator in Pathogenesis of Infectious Disease Award에서 제공되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/08/230814174547.htm