Des chercheurs du MIT ont développé une version hydrosoluble de l'enzyme bactérienne histidine kinase, qui constitue une cible prometteuse pour de nouveaux antibiotiques en raison de sa présence unique dans les bactéries. L'enzyme modifiée conserve ses fonctions naturelles et pourrait être cruciale pour lutter contre la résistance aux antibiotiques, qui fait plus d'un million de morts chaque année. Crédit : Issues.fr.com
Les scientifiques ont créé une version hydrosoluble d’une enzyme bactérienne importante, qui peut désormais être utilisée dans les tests de médicaments pour identifier de nouveaux antibiotiques.
MIT Des chercheurs ont mis au point une histidine kinase hydrosoluble, une enzyme bactérienne qui pourrait conduire à une nouvelle classe d'antibiotiques visant à résoudre le problème croissant de la résistance aux antibiotiques. Cette découverte ouvre également la voie à l'utilisation de techniques similaires pour atténuer les problèmes environnementaux comme les émissions de gaz à effet de serre.
L'histidine kinase comme cible antibiotique
Une enzyme bactérienne appelée histidine kinase est une cible prometteuse pour de nouvelles classes d’antibiotiques. Cependant, il a été difficile de développer des médicaments ciblant cette enzyme, car il s’agit d’une protéine « hydrophobe » qui perd sa structure une fois retirée de son emplacement normal dans la membrane cellulaire.
Une équipe dirigée par le MIT a désormais trouvé un moyen de rendre l’enzyme soluble dans l’eau, ce qui pourrait permettre de tester rapidement des médicaments potentiels susceptibles d’interférer avec ses fonctions.
Les chercheurs ont créé leur nouvelle version de l'histidine kinase en remplaçant quatre protéines hydrophobes spécifiques acides aminés avec trois hydrophiles. Même après ce changement significatif, ils ont constaté que la version hydrosoluble de l'enzyme conservait ses fonctions naturelles.
Applications prometteuses dans le domaine de la résistance aux antibiotiques
Aucun antibiotique ne cible actuellement l’histidine kinase. Les médicaments qui perturbent ces fonctions pourraient donc constituer une nouvelle classe d’antibiotiques. De tels candidats médicaments sont indispensables pour lutter contre le problème croissant de la résistance aux antibiotiques.
« Chaque année, plus d’un million de personnes meurent d’infections résistantes aux antibiotiques », explique Shuguang Zhang, chercheur principal au MIT Media Lab et l’un des principaux auteurs de la nouvelle étude. « Cette protéine est une bonne cible car elle est propre aux bactéries et les humains n’en sont pas dotés. »
Ping Xu et Fei Tao, tous deux professeurs à l'Université Jiao Tong de Shanghai, sont également les auteurs principaux de l'article, qui a été publié le 10 juin dans Nature Communications. Mengke Li, étudiant diplômé de l'Université Jiao Tong de Shanghai et ancien étudiant invité au MIT, est l'auteur principal de l'article.
Innovations dans la solubilisation des protéines
De nombreuses protéines qui remplissent des fonctions cellulaires essentielles sont intégrées dans la membrane cellulaire. Les segments de ces protéines qui traversent la membrane sont hydrophobes, ce qui leur permet de s'associer aux lipides qui la composent. Cependant, une fois retirées de la membrane, ces protéines ont tendance à perdre leur structure, ce qui rend difficile leur étude ou la recherche de médicaments susceptibles d'interférer avec elles.
En 2018, Zhang et ses collègues ont mis au point une méthode simple pour convertir ces protéines en versions hydrosolubles, qui conservent leur structure dans l’eau. Leur technique est connue sous le nom de code QTY, pour les lettres qui représentent les acides aminés hydrophiles qui s’incorporent dans les protéines. La leucine (L) devient la glutamine (Q), l’isoleucine (I) et la valine (V) deviennent la thréonine (T), et la phénylalanine (F) devient la tyrosine (Y).
Depuis, les chercheurs ont démontré cette technique sur une variété de protéines hydrophobes, dont des anticorps, des récepteurs de cytokines et des transporteurs. Ces transporteurs comprennent une protéine que les cellules cancéreuses utilisent pour pomper les médicaments de chimiothérapie hors des cellules, ainsi que des transporteurs que les cellules cérébrales utilisent pour faire entrer ou sortir la dopamine et la sérotonine des cellules.
Dans la nouvelle étude, l’équipe a cherché à démontrer, pour la première fois, que le code QTY pouvait être utilisé pour créer des enzymes hydrosolubles qui conservent leur fonction enzymatique.
L’équipe de recherche a choisi de se concentrer sur l’histidine kinase en partie en raison de son potentiel comme cible antibiotique. Actuellement, la plupart des antibiotiques agissent en endommageant les parois cellulaires bactériennes ou en interférant avec la synthèse des ribosomes, les organites cellulaires qui fabriquent les protéines. Aucun d’entre eux ne cible l’histidine kinase, une protéine bactérienne importante qui régule des processus tels que la résistance aux antibiotiques et la communication intercellulaire.
L'histidine kinase peut remplir quatre fonctions différentes, dont la phosphorylation (activation d'autres protéines en leur ajoutant un groupe phosphate) et la déphosphorylation (élimination des phosphates). Les cellules humaines possèdent également des kinases, mais elles agissent sur des acides aminés autres que l'histidine. Les médicaments qui bloquent l'histidine kinase n'auraient donc probablement aucun effet sur les cellules humaines.
Après avoir utilisé le code QTY pour convertir l'histidine kinase en une forme hydrosoluble, les chercheurs ont testé ses quatre fonctions et ont découvert que la protéine était toujours capable de les remplir. Cela signifie que cette protéine pourrait être utilisée dans des criblages à haut débit pour tester rapidement si des composés médicamenteux potentiels interfèrent avec l'une de ces fonctions.
Potentiel d’impact scientifique plus large
En utilisant AlphaFold, un intelligence artificielle À l'aide d'un programme capable de prédire la structure des protéines, les chercheurs ont généré une structure pour leur nouvelle protéine et ont utilisé des simulations de dynamique moléculaire pour étudier la manière dont elle interagit avec l'eau. Ils ont découvert que la protéine forme des liaisons hydrogène stabilisatrices avec l'eau, ce qui l'aide à conserver sa structure.
Ils ont également découvert que s’ils ne remplaçaient que les acides aminés hydrophobes enfouis dans le segment transmembranaire, la protéine ne conserverait pas sa fonction. Les acides aminés hydrophobes doivent être remplacés dans tout le segment transmembranaire, ce qui aide la molécule à maintenir les relations structurelles dont elle a besoin pour fonctionner normalement.
Orientations futures et applications environnementales
Zhang prévoit maintenant de tester cette approche sur la méthane monooxygénase, une enzyme présente dans les bactéries et capable de convertir le méthane en méthanol. Une version hydrosoluble de cette enzyme pourrait être pulvérisée sur les sites de rejet de méthane, comme les étables où vivent les vaches ou le pergélisol en cours de dégel, ce qui contribuerait à éliminer une grande partie du méthane, un gaz à effet de serre, de l'atmosphère.
« Si nous pouvons utiliser le même outil, le code QTY, sur la méthane monooxygénase, et utiliser cette enzyme pour convertir le méthane en méthanol, cela pourrait ralentir le changement climatique », explique Zhang.
La technique QTY pourrait également aider les scientifiques à en savoir plus sur la manière dont les signaux sont transportés par les protéines transmembranaires, explique William DeGrado, professeur de chimie pharmaceutique à l'Université de Californie à San Francisco, qui n'a pas participé à l'étude.
« C’est une grande avancée de pouvoir fabriquer des protéines fonctionnellement pertinentes et solubles dans l’eau », déclare DeGrado. « Une question importante est de savoir comment les signaux sont transmis à travers les membranes, et ces travaux offrent une nouvelle façon d’aborder cette question. »
La recherche a été financée en partie par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine.
