Naukowcy z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego, we współpracy z uczonymi z Uniwersytetu w Durham oraz John Innes Centre, dokonali przełomowego odkrycia w badaniach nad gyrazą DNA. To kluczowy enzym bakteryjny i ważny cel terapeutyczny dla antybiotyków.
Gyraza DNA, występująca wyłącznie u bakterii, odgrywa istotną rolę w procesie superskręcania DNA, który jest kluczowy dla ich przetrwania. Korzystając z zaawansowanej mikroskopii krioelektronowej, badaczom z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego, Uniwersytetu w Durham oraz John Innes Centre udało się uchwycić szczegóły mechanizmu działania tego enzymu na poziomie, który wcześniej nie był możliwy. Odkrycie to może przyczynić się do opracowania nowych terapii antybiotykowych, skutecznych przeciwko szczepom bakterii opornych na leczenie.
Gyraza DNA działa jak mikroskopijna maszyna molekularna, skręcając i stabilizując DNA bakterii. Proces ten, znany jako superskręcanie, przypomina skręcanie gumki – im bardziej się ją skręca, tym jej struktura staje się bardziej kompaktowa. W przeciwieństwie jednak do gumki, która po uwolnieniu szybko się rozkręca, gyraza stabilizuje skręcone DNA, umożliwiając bakteriom jego wykorzystanie w procesach biologicznych.
Enzym ten układa DNA w pętlę przypominającą „ósemkę”, następnie precyzyjnie rozcina, skręca i ponownie łączy helisę DNA. Jest to niezwykle delikatny proces – jeśli DNA pozostałoby rozcięte, byłoby to dla bakterii śmiertelne.
Antybiotyki, takie jak fluorochinolony, wykorzystują ten proces, uniemożliwiając ponowne zespolenie rozciętego DNA, co prowadzi do śmierci komórki bakteryjnej. Jednak narastająca oporność bakterii na te leki sprawia, że konieczne staje się głębsze zrozumienie mechanizmu działania gyrazy.
Wykorzystując nowoczesną mikroskopię krioelektronową, zespół badawczy uchwycił gyrazę w trakcie pracy, pokazując, jak enzym ten owija DNA wokół rozciągniętych ramion białkowych, nadając mu charakterystyczny kształt „ósemki”.
Od dawna wiedzieliśmy, że gyraza DNA przybiera różne konformacje, co uniemożliwiało wykorzystanie krystalografii makromolekularnej do rozwiązania jej struktury. Zastosowanie cryoEM pozwoliło nam na zaobserwowanie niesamowitej, całkowicie otwartej konformacji domen. Dokładna struktura białka z transportowanym fragmentem DNA to ogromny krok naprzód w kierunku pełnej charakterystyki mechanizmu katalitycznego gyrazy – mówi Elizabeth Michalczyk, doktorantka z Małopolskiego Centrum Biotechnologii UJ i pierwsza autorka pracy.
To odkrycie zmienia dotychczasowe wyobrażenie o mechanizmie działania gyrazy, badanym przez dekady. Obrazy uzyskane w badaniu ukazują enzym jako skoordynowany, wieloelementowy system, w którym każda część porusza się w precyzyjnej sekwencji, umożliwiając proces superskręcania DNA.
Wyniki sugerują, że dokładna pozycja i kolejność ruchu złożonych części enzymu podczas procesu superskręcania DNA nie wyglądają tak, jak dotychczas sądziliśmy, co może wpłynąć na sposób projektowania nowych inhibitorów.Odkrycie to nie tylko poszerza wiedzę o biologii bakterii, ale także daje nadzieję na opracowanie nowych antybiotyków, które będą działać na gyrazę w bardziej precyzyjny sposób, omijając istniejące mechanizmy oporności – podsumowuje prof. Jonathan Heddle z Uniwersytetu w Durham, współautor pracy.
Korzystając z właśnie opublikowanej wysokorozdzielczej struktury, naukowcy planują już dalsze badania m.in. uchwycenie dodatkowych etapów działania enzymu, tworząc molekularny „film” przedstawiający w jaki sposób działa gyraza. Takie podejście może pomóc w opracowaniu kolejnej generacji antybiotyków, które będą bardziej
precyzyjne i skuteczne w zwalczaniu infekcji bakteryjnych.
źródło: MCB UJ