Utilisation de PETRA III pour observer la désactivation d'un tueur à la pénicilline
Les scientifiques observent en détail la liaison et la formation de liaisons covalentes entre un inhibiteur et une enzyme bactérienne qui désactive les antibiotiques courants
La résistance aux antibiotiques est un défi majeur, et particulièrement ces dernières années, un défi croissant pour la médecine. Les scientifiques du monde entier sont à la recherche de nouveaux composés efficaces pour traiter les infections bactériennes, en particulier celles causées par des bactéries multirésistantes. Une collaboration de scientifiques de DESY, du Centre médical universitaire d'Eppendorf (UKE) à Hambourg et de l'Université de Hambourg a réalisé des expériences de diffraction résolue dans le temps à PETRA III pour observer, à une résolution quasi atomique et à l'échelle de la milliseconde, l'inhibition d'une enzyme bactérienne qui annule une classe commune d'antibiotiques, les β-lactamines. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Communications Chemistry.
Parmi les antibiotiques, les bêta-lactamines sont des classiques. La pénicilline, le premier antibiotique produit commercialement, et les dérivés de la pénicilline appartiennent à cette classe de produits pharmaceutiques. Au début du21e siècle, la moitié des antibiotiques utilisés dans le monde étaient des bêta-lactames. Cependant, même depuis le début de l'utilisation de la pénicilline, les bactéries ont développé des défenses contre les antibiotiques. L'une de ces défenses est une enzyme appelée bêta-lactamase. Telle une paire de ciseaux moléculaires, la bêta-lactamase coupe l'anneau central de la molécule de bêta-lactame et désactive ses propriétés antibiotiques, permettant ainsi aux bactéries de continuer à vivre.
Depuis une vingtaine d'années, les scientifiques du monde entier cherchent un moyen de désactiver la bêta-lactamase afin de lutter directement contre la résistance aux antibiotiques. Jusqu'à présent, la plupart des candidats inhibiteurs de bêta-lactamase examinés étaient des composés organiques imitant la pénicilline, permettant à l'inhibiteur de pénétrer dans le site actif de l'enzyme et de la bloquer. Cependant, les bactéries actuelles peuvent potentiellement résister à ces molécules après un ou deux ans. Une autre voie de recherche a consisté à utiliser des molécules beaucoup plus basiques pour bloquer le site actif de l'enzyme.
"Il existe de nouveaux inhibiteurs de bêta-lactamase à base d'acide borique, et ils sont vraiment puissants", explique Andreas Prester, premier auteur de l'étude PETRA III et post-doctorant à l'UKE. "Par exemple, des composés et des médicaments contenant du bore ont été développés pour être utilisés dans le traitement du myélome multiple, une forme de cancer du sang. En termes d'études pilotes et d'approche de réaffectation des médicaments, la collaboration de recherche a identifié le potentiel des composés à base de bore pour inhiber également les bêta-lactamases. "Depuis lors, nous avons étudié ces inhibiteurs plus en détail, ainsi que leur potentiel d'inhibition des bêta-lactamases", ajoute Prester.
Prester et ses collègues, Markus Perbandt de l'Université de Hambourg, Winfried Hinrichts, professeur émérite de l'Université de Greifswald, et Christian Betzel, professeur à l'Université de Hambourg qui a dirigé la recherche, ont été parmi ceux qui ont examiné en détail l'inhibition causée par l'acide borique. À l'aide du XFEL européen et de PETRA III, ils ont étudié la manière dont l'acide borique se lie à l'enzyme. À PETRA III, l'équipe du scientifique en chef de DESY, Henry Chapman, a participé à l'assemblage d'une expérience à la ligne de faisceau P11 qui utilisait un mécanisme capable de montrer à une résolution atomique, comme un film, la progression de la liaison de l'acide borique, dans ce cas, à l'acide aminé sérine à l'intérieur du site actif. "Il s'agit d'une liaison relativement stable, et l'acide borique bloque alors la capacité de l'enzyme à interagir avec l'antibiotique", explique M. Prester.
Le dispositif fourni par le groupe de Chapman a permis de montrer l'échelle de temps de la liaison à l'aide d'une méthode appelée cristallographie sérielle par mélange et injection, dans laquelle le composé est mélangé à de minuscules cristaux de protéines à un moment donné avant d'être sondé avec des rayons X. La collaboration de recherche a constaté que l'acide borique seul se lie à l'enzyme en 100 millisecondes environ. Dans une approche complémentaire, l'équipe a également utilisé la même méthode pour observer comment la molécule organique glycérol se lie au complexe sérine-acide borique, afin de voir comment une structure d'acide borique plus complexe pourrait se lier à l'enzyme. La liaison de l'acide borique au site actif par l'intermédiaire du glycérol s'est produite à une échelle de temps similaire à celle de la liaison de l'acide borique au site seul. "Les informations obtenues constituent un premier pas vers la conception ultérieure d'un médicament capable d'inhiber la bêta-lactamase et de bloquer la résistance à l'antibiotique", explique Dominik Oberthür, un des principaux scientifiques du Center for Free Electron Laser Science de DESY, qui faisait partie de l'équipe de recherche.
"Le type de composés que nous avons appliqués et les réactions chimiques correspondantes que nous avons observées en temps résolu sont très éloignés des inhibiteurs de type pénicilline, dont nous savons qu'ils se heurtent à un taux élevé de résistance de la part des bactéries", explique M. Betzel, qui est membre du pôle d'excellence "CUI : Imagerie avancée de la matière". "L'acide borique est une très petite molécule en comparaison. Bien que l'efficacité soit comparativement faible par rapport à certains composés inhibiteurs, il est très peu probable que les bactéries développent une résistance à l'acide borique dans un avenir proche ou même lointain." En outre, si l'acide borique est délogé de l'enzyme, ce qui lui permet de fonctionner à nouveau et de désactiver l'antibiotique, une autre molécule d'acide borique - ou même la même - peut facilement intervenir et bloquer à nouveau le site actif, en raison de sa petite taille et de sa stabilité.
Selon M. Oberthür, les prochaines étapes consisteront à examiner plus avant le comportement de l'acide borique dans des environnements plus proches du corps humain, tout en progressant vers la chimie médicinale. "Il semble que l'acide borique soit également efficace sur les enzymes contenant des métaux", ajoute Prester. Grâce à ces connaissances, la pénicilline et d'autres antibiotiques à base de bêta-lactamines pourraient encore faire partie de l'arsenal médical de l'humanité.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Andreas Prester, Markus Perbandt, Marina Galchenkova, Dominik Oberthuer, Nadine Werner, Alessandra Henkel, Julia Maracke, Oleksandr Yefanov, Johanna Hakanpää, Guillaume Pompidor, Jan Meyer, Henry Chapman, Martin Aepfelbacher, Winfried Hinrichs, Holger Rohde, Christian Betzel; "Time-resolved crystallography of boric acid binding to the active site serine of the β-lactamase CTX-M-14 and subsequent 1,2-diol esterification"; Communications Chemistry, Volume 7, 2024-7-5
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