Identificação de antibióticos com base em diferenças estruturais no alostério conservado do heme mitocondrial

Nature Communications volume 13, número do artigo: 7591 (2022) Citar este artigo

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A resistência antimicrobiana (RAM) é um problema de saúde global. Apesar dos enormes esforços envidados na última década, as ameaças de algumas espécies, incluindo a Neisseria gonorrhoeae resistente aos medicamentos, continuam a aumentar e tornar-se-iam intratáveis. O desenvolvimento de antibióticos com mecanismos de ação diferentes é seriamente necessário. Aqui, identificamos um sítio inibitório alostérico enterrado dentro das heme-cobre oxidases mitocondriais eucarióticas (HCOs), as enzimas respiratórias essenciais para a vida. A conformação estérica em torno da bolsa de ligação dos HCOs é altamente conservada entre bactérias e eucariotos, embora estes últimos tenham uma hélice extra. Esta diferença estrutural no alostério conservado permitiu-nos identificar racionalmente inibidores bacterianos específicos do HCO: um composto antibiótico contra Neisseria gonorrhoeae resistente à ceftriaxona. A dinâmica molecular combinada com espectroscopia Raman de ressonância e espectroscopia de fluxo interrompido revelou uma obstrução alostérica no canal de acesso ao substrato como mecanismo de inibição. Nossa abordagem abre novos caminhos na modulação das funções proteicas e amplia nossas opções para superar a RAM.

A resistência antimicrobiana (RAM) é um problema de saúde global1. Muitos esforços têm sido feitos para reduzir o fardo dos perigos da RAM a nível mundial desde 2013, mas as ameaças de algumas espécies continuam a aumentar independentemente: a Neisseria gonorrhoeae resistente aos medicamentos é uma das cinco ameaças urgentes2,3. A resistência à ceftriaxona, a última opção para um antibiótico empírico de primeira linha contra Neisseria gonorrhoeae na maioria dos países, foi relatada e continua a emergir globalmente4. A infecção gonocócica pode tornar-se intratável devido a um elevado grau de RAM, o que aumentaria complicações graves: infertilidade, gravidez ectópica e aumento da transmissão do VIH. O aparecimento de agentes patogénicos resistentes aos antibióticos actualmente disponíveis é muito alarmante; portanto, o desenvolvimento de opções de tratamento é imperativo para combater a RAM.

A cadeia respiratória atraiu recentemente considerável atenção científica como um alvo potencial para antibióticos. Como arma para superar a RAM, compostos direcionados à cadeia respiratória foram aprovados ou entraram em ensaios clínicos, por exemplo, medicamentos contra parasitas, fungos e, particularmente, Mycobacterium tuberculosis resistente a medicamentos5,6,7,8,9,10. No entanto, a maioria deles são inibidores competitivos de sítios ortostéricos. Como as enzimas respiratórias são essenciais para a vida, a sua estrutura central é geralmente conservada entre as espécies. A similaridade estrutural e a semelhança do substrato com as proteínas do hospedeiro são riscos de reatividade cruzada, o que pode ser uma causa de efeitos colaterais11. Portanto, um inibidor alostérico é uma escolha mais viável, pois os sítios alostéricos são evolutivamente menos conservados na sequência de aminoácidos do que os sítios ortostéricos, melhorando teoricamente a seletividade e reduzindo a toxicidade . Contudo, ainda não foi estabelecida uma busca sistemática e estratégica por inibidores alostéricos, especialmente contra proteínas de membrana; a maioria das enzimas respiratórias são proteínas de membrana.

HCOs são enzimas respiratórias terminais presentes em todos os três domínios da vida: bactérias, arquéias e eucariotos. Os HCOs recebem elétrons da cadeia respiratória e reduzem o oxigênio molecular à água. Essa reação exergônica é acoplada ao bombeamento de prótons através da membrana, o que contribui para manter a força motriz de prótons que é posteriormente utilizada para a produção de ATP14,15,16,17,18. Os HCOs são complexos multisubunidades e sua constituição varia entre as espécies; entretanto, a subunidade I é uma subunidade catalítica comum em todos os HCOs. Ele contém um heme de baixo spin e um centro binuclear (BNC), o sítio catalítico formado por um heme de alto spin e um íon cobre. O heme de baixo spin primeiro recebe elétrons e os transfere para o BNC para redução do oxigênio .