กลไกต้านเชื้อแบคทีเรียรูปแบบใหม่

นักวิทยาศาสตร์ที่กล้องจุลทรรศน์

ภาพ: Paul Freimuth นักชีววิทยาของ Brookhaven Lab และผู้เขียนร่วม Feiyue Teng นักวิทยาศาสตร์ในศูนย์วัสดุนาโนที่ใช้งานได้ (CFN) ของ Brookhaven Lab ที่กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงที่ใช้ถ่ายภาพแบคทีเรียในการศึกษานี้
ดู มากกว่า

เครดิต: Brookhaven National Laboratory

อัพตัน รัฐนิวยอร์ก—นักชีววิทยาจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรู๊คฮาเวนของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ และผู้ทำงานร่วมกันได้ค้นพบโปรตีนผิดปกติที่เป็นอันตรายต่อแบคทีเรีย ในบทความที่เพิ่งตีพิมพ์ในวารสาร PLOS ONEนักวิทยาศาสตร์อธิบายว่าโปรตีนที่สร้างขึ้นอย่างผิดพลาดนี้เลียนแบบการกระทำของ aminoglycosides ซึ่งเป็นยาปฏิชีวนะประเภทหนึ่ง โปรตีนที่ค้นพบใหม่นี้สามารถใช้เป็นแบบจำลองเพื่อช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถคลี่คลายรายละเอียดของผลกระทบที่ร้ายแรงของยาเหล่านั้นต่อแบคทีเรีย และอาจชี้ทางไปสู่การใช้ยาปฏิชีวนะในอนาคต

“การระบุเป้าหมายใหม่ในแบคทีเรียและกลยุทธ์ทางเลือกในการควบคุมการเติบโตของแบคทีเรียจะมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ” Paul Freimuth นักชีววิทยาของ Brookhaven ซึ่งเป็นผู้นำการวิจัยกล่าว แบคทีเรียได้พัฒนาความต้านทานต่อยาที่ใช้กันทั่วไปหลายชนิด และนักวิทยาศาสตร์และแพทย์หลายคนมีความกังวลเกี่ยวกับศักยภาพของการระบาดในวงกว้างที่เกิดจากแบคทีเรียที่ดื้อต่อยาปฏิชีวนะเหล่านี้ เขาอธิบาย

“สิ่งที่เราค้นพบนั้นเป็นหนทางอีกยาวไกลจากการกลายเป็นยา แต่ขั้นตอนแรกคือการทำความเข้าใจกลไก” Freimuth กล่าว “เราได้ระบุโปรตีนชนิดเดียวที่เลียนแบบผลของส่วนผสมที่ซับซ้อนของโปรตีนผิดปกติซึ่งเกิดขึ้นเมื่อแบคทีเรียได้รับการรักษาด้วยอะมิโนไกลโคไซด์ นั่นทำให้เราศึกษากลไกการฆ่าเซลล์แบคทีเรีย จากนั้นอาจมีการพัฒนาสารยับยั้งตระกูลใหม่เพื่อทำสิ่งเดียวกัน”

ติดตามสาขาที่น่าสนใจ

นักวิทยาศาสตร์ของ Brookhaven ซึ่งปกติจะเน้นไปที่การวิจัยเกี่ยวกับพลังงาน ไม่ได้คิดถึงสุขภาพของมนุษย์เมื่อเริ่มโครงการนี้ พวกเขากำลังใช้ E. colฉัน แบคทีเรียเพื่อศึกษายีนที่เกี่ยวข้องกับการสร้างผนังเซลล์พืช การวิจัยดังกล่าวสามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เรียนรู้วิธีแปลงสสารพืช (ชีวมวล) เป็นเชื้อเพลิงชีวภาพได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

แต่เมื่อพวกเขาเปิดการแสดงออกของยีนพืชชนิดใดชนิดหนึ่ง ทำให้แบคทีเรียสามารถสร้างโปรตีน เซลล์ต่างๆ จะหยุดเติบโตทันที

“โปรตีนนี้มีผลเป็นพิษร้ายแรงต่อเซลล์ เซลล์ทั้งหมดตายภายในไม่กี่นาทีหลังจากเปิดการแสดงออกของยีนนี้” Freimuth กล่าว

การทำความเข้าใจพื้นฐานสำหรับการยับยั้งการเจริญเติบโตของเซลล์อย่างรวดเร็วนี้ทำให้โครงการวิจัยในอุดมคติสำหรับผู้ฝึกงานภาคฤดูร้อนที่ทำงานในห้องทดลองของ Freimuth

“ผู้ฝึกงานสามารถทำการทดลองและเห็นผลได้ภายในวันเดียว” เขากล่าว และบางทีพวกเขาอาจช่วยให้เข้าใจได้ว่าทำไมโปรตีนจากพืชถึงสร้างความเสียหายอย่างมาก

รหัสที่อ่านผิด โปรตีนที่คลี่ออก

“นั่นคือตอนที่มันเริ่มน่าสนใจจริงๆ” Freimuth กล่าว

กลุ่มค้นพบว่าปัจจัยที่เป็นพิษไม่ใช่โปรตีนจากพืชเลย มันเป็นสายของกรดอะมิโน ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของโปรตีน ที่ไม่สมเหตุสมผล

สาระไร้สาระนี้ถูกปั่นป่วนโดยไม่ได้ตั้งใจเมื่อไรโบโซมของแบคทีเรีย (เครื่องจักรสร้างโปรตีนของเซลล์) แปลตัวอักษรที่ประกอบเป็นรหัสพันธุกรรม “ไม่อยู่ในระยะ” แทนที่จะอ่านรหัสเป็นตัวอักษรสามตัวที่เขียนรหัสสำหรับกรดอะมิโนบางตัว ไรโบโซมจะอ่านเฉพาะตัวอักษรสองตัวที่สองของก้อนหนึ่งบวกกับตัวอักษรตัวแรกของแฝดสามตัวถัดไป ส่งผลให้ใส่กรดอะมิโนผิดตำแหน่ง

Freimuth กล่าวว่า “มันเหมือนกับการอ่านประโยคที่เริ่มต้นที่ตรงกลางของแต่ละคำและรวมเข้ากับครึ่งแรกของคำถัดไปเพื่อสร้างสตริงที่พูดพล่อยๆ

โปรตีนที่พูดพล่อยๆ ทำให้ Freimuth นึกถึงยาปฏิชีวนะกลุ่มหนึ่งที่เรียกว่า aminoglycosides ยาปฏิชีวนะเหล่านี้บังคับให้ไรโบโซมทำผิดพลาด “เฟส” ที่คล้ายกันและข้อผิดพลาดประเภทอื่นๆ เมื่อสร้างโปรตีน ผลลัพธ์: ไรโบโซมของแบคทีเรียทั้งหมดสร้างโปรตีนที่พูดพล่อยๆ

“ถ้าเซลล์แบคทีเรียมีไรโบโซม 50,000 ตัว แต่ละเซลล์สร้างโปรตีนผิดปกติที่ต่างกัน ผลที่เป็นพิษเป็นผลมาจากโปรตีนผิดปกติจำเพาะตัวหนึ่งหรือจากหลายตัวรวมกันหรือไม่? คำถามนี้เกิดขึ้นเมื่อหลายสิบปีก่อนและไม่เคยได้รับการแก้ไข” Freimuth กล่าว

งานวิจัยชิ้นใหม่แสดงให้เห็นว่าโปรตีนผิดปกติเพียงตัวเดียวก็เพียงพอสำหรับผลกระทบที่เป็นพิษ

มันคงไม่ไกลเกินเอื้อม กรดอะมิโนที่ไร้สาระไม่สามารถพับขึ้นได้อย่างถูกต้องเพื่อให้ทำงานได้อย่างสมบูรณ์ แม้ว่าโปรตีนที่พับผิดจะถูกสร้างขึ้นในทุกเซลล์โดยบังเอิญ แต่พวกมันมักจะตรวจพบและกำจัดให้หมดโดยกลไก “ควบคุมคุณภาพ” ในเซลล์ที่แข็งแรง ความล้มเหลวของระบบการควบคุมคุณภาพอาจทำให้โปรตีนผิดปกติสะสม ทำให้เกิดโรคได้

การควบคุมคุณภาพที่ยุ่งเหยิง

ขั้นตอนต่อไปคือการค้นหาว่าโปรตีนจากพืชที่ผิดปรกติสามารถกระตุ้นระบบควบคุมคุณภาพของเซลล์แบคทีเรียหรือไม่ หรือขัดขวางไม่ให้ระบบทำงาน

Freimuth และทีมงานของเขาพบว่าโปรตีนจากพืชที่ผิดปรกติได้กระตุ้นขั้นตอนเริ่มต้นในการควบคุมคุณภาพโปรตีน แต่ขั้นตอนต่อมาของกระบวนการซึ่งจำเป็นโดยตรงสำหรับการย่อยสลายโปรตีนที่ผิดปกตินั้นถูกปิดกั้น พวกเขายังค้นพบว่าความแตกต่างระหว่างชีวิตและความตายของเซลล์นั้นขึ้นอยู่กับอัตราที่ผลิตโปรตีนผิดปกติ

“เมื่อเซลล์มีสำเนาของยีนจำนวนมากที่เข้ารหัสโปรตีนจากพืชผิดปกติ เครื่องจักรควบคุมคุณภาพตรวจพบโปรตีน แต่ไม่สามารถย่อยสลายได้เต็มที่” Freimuth กล่าว “เมื่อเราลดจำนวนสำเนาของยีนลง อย่างไรก็ตาม เครื่องจักรควบคุมคุณภาพสามารถกำจัดโปรตีนที่เป็นพิษและเซลล์ต่างๆ ก็รอดได้”

เขาสังเกตเห็นสิ่งเดียวกันนี้ในเซลล์ที่ได้รับการรักษาด้วยยาปฏิชีวนะอะมิโนไกลโคไซด์ในปริมาณที่ไม่รุนแรง “การตอบสนองของการควบคุมคุณภาพได้รับการกระตุ้นอย่างมาก แต่เซลล์ยังคงสามารถเติบโตได้ต่อไป” เขากล่าว

แบบจำลองกลไก

การทดลองเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าโปรตีนจากพืชที่ผิดประเภทเดียวฆ่าเซลล์ด้วยกลไกเดียวกับส่วนผสมที่ซับซ้อนของโปรตีนผิดปกติที่เกิดจากยาปฏิชีวนะอะมิโนไกลโคไซด์ แต่กลไกที่แม่นยำของการตายของเซลล์ยังคงเป็นปริศนา

Freimuth กล่าวว่า “ข่าวดีก็คือตอนนี้เรามีโปรตีนตัวเดียวที่มีลำดับกรดอะมิโนที่รู้จัก ซึ่งเราสามารถใช้เป็นแบบจำลองในการสำรวจกลไกดังกล่าวได้” Freimuth กล่าว

นักวิทยาศาสตร์ทราบดีว่าเซลล์ที่รักษาด้วยยาปฏิชีวนะจะเกิดการรั่ว ทำให้สิ่งต่างๆ เช่น เกลือซึมเข้าสู่ระดับที่เป็นพิษ สมมติฐานหนึ่งคือ โปรตีนที่พับผิดอาจสร้างช่องใหม่ในเยื่อหุ้มเซลล์ หรืออาจติดขัดเปิดประตูของช่องที่มีอยู่ ทำให้เกิดการแพร่กระจายของเกลือและสารพิษอื่นๆ ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์

“ขั้นตอนต่อไปคือการกำหนดโครงสร้างของโปรตีนของเราที่ซับซ้อนด้วยช่องเมมเบรนเพื่อตรวจสอบว่าโปรตีนสามารถยับยั้งการทำงานของช่องปกติได้อย่างไร” Freimuth กล่าว

ที่จะช่วยให้เข้าใจล่วงหน้าว่าโปรตีนผิดปกติที่เกิดจากยาปฏิชีวนะ aminoglycoside ฆ่าเซลล์แบคทีเรียได้อย่างไร และสามารถแจ้งการออกแบบยาใหม่ ๆ เพื่อกระตุ้นผลกระทบที่เหมือนกันหรือคล้ายคลึงกัน

งานนี้ได้รับการสนับสนุนโดยรางวัล Laboratory Directed Research and Development จาก Brookhaven Lab และส่วนหนึ่งจากสำนักงานวิทยาศาสตร์ของ DOE สำนักงานพัฒนาแรงงานสำหรับครูและนักวิทยาศาสตร์ (WDTS) ภายใต้โครงการคณะเยี่ยมชม (VFP) เงินทุนเพิ่มเติมจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (NSF) สนับสนุนนักเรียนที่เข้าร่วมในการฝึกงานภายใต้โครงการขยายความสามารถด้านวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี วิศวกรรมศาสตร์ และคณิตศาสตร์ของ NSF (STEP) และโครงการ Louis Stokes Alliances for Minority Participation (LSAMP)

ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven ได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ Office of Science เป็นผู้สนับสนุนการวิจัยขั้นพื้นฐานด้านวิทยาศาสตร์กายภาพที่ใหญ่ที่สุดเพียงแห่งเดียวในสหรัฐอเมริกา และกำลังทำงานเพื่อจัดการกับความท้าทายที่เร่งด่วนที่สุดในยุคของเรา สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม โปรดไปที่ science.energy.gov

ติดตาม @BrookhavenLab บน ทวิตเตอร์ หรือพบเราบน Facebook

ลิ้งค์ที่มีความเกี่ยวข้อง


(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*