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 éloignée de son emplacement normal dans la membrane cellulaire.
Aujourd’hui, une équipe dirigée par le MIT a trouvé un moyen de rendre l’enzyme soluble dans l’eau, ce qui pourrait permettre de détecter rapidement des médicaments potentiels susceptibles d’interférer avec ses fonctions.
Les chercheurs ont créé leur nouvelle version de l’histidine kinase en remplaçant quatre acides aminés hydrophobes spécifiques par trois acides aminés hydrophiles. Même après ce changement important, ils ont constaté que la version hydrosoluble de l’enzyme conservait ses fonctions naturelles.
Aucun antibiotique existant ne cible l’histidine kinase, donc les médicaments qui perturbent ces fonctions pourraient représenter une nouvelle classe d’antibiotiques. De tels candidats médicaments sont absolument nécessaires 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 », déclare 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 ne la possèdent pas. »
Ping Xu et Fei Tao, tous deux professeurs à l’Université Jiao Tong de Shanghai, sont également les auteurs principaux de l’article, qui paraît aujourd’hui dans Communication naturelle. Mengke Li, étudiant diplômé de l’Université Jiao Tong de Shanghai et ancien étudiant invité au MIT, est l’auteur principal de l’article.
Une nouvelle cible médicamenteuse
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 composent la membrane. 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 un moyen simple de 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 incorporés dans les protéines. La leucine (L) devient glutamine (Q), l’isoleucine (I) et la valine (V) deviennent thréonine (T) et la phénylalanine (F) devient tyrosine (Y).
Depuis, les chercheurs ont démontré cette technique sur diverses protéines hydrophobes, notamment 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 déplacer la dopamine et la sérotonine dans ou hors des cellules.
Dans la nouvelle étude, l’équipe a entrepris de démontrer, pour la première fois, que le code QTY pouvait être utilisé pour créer des enzymes hydrosolubles conservant leur fonction enzymatique.
L’équipe de recherche a choisi de se concentrer sur l’histidine kinase en partie à cause de son potentiel en tant que 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 de cellule à cellule.
L’histidine kinase peut remplir quatre fonctions différentes, notamment 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, de sorte que les médicaments qui bloquent l’histidine kinase n’auraient 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.
Une structure stable
À l’aide d’AlphaFold, un programme d’intelligence artificielle capable de prédire les structures des protéines, les chercheurs ont généré une structure pour leur nouvelle protéine et ont utilisé des simulations de dynamique moléculaire pour étudier comment elle interagit avec l’eau. Ils ont découvert que la protéine forme des liaisons hydrogène stabilisantes avec l’eau, ce qui l’aide à conserver sa structure.
Ils ont également découvert que s’ils remplaçaient uniquement 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.
Zhang prévoit maintenant d’essayer cette approche sur la méthane monooxygénase, une enzyme présente dans les bactéries qui peut convertir le méthane en méthanol. Une version hydrosoluble de cette enzyme pourrait être pulvérisée sur les sites de libération de méthane, tels que les étables où vivent les vaches ou le pergélisol en train de dégeler, contribuant ainsi 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 apprendre davantage sur la façon 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 solubilisées dans l’eau fonctionnellement pertinentes », déclare DeGrado. « Une question importante est de savoir comment les signaux sont transmis à travers les membranes, et ce travail propose une nouvelle façon d’aborder cette question. »
La recherche a été financée en partie par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine.
