Bakteriyel protein üretimini etkileyen ilk PLP’ye bağımlı enzim keşfedildi

Singapur-MIT Araştırma ve Teknoloji Birliği’nin (SMART) Antimikrobiyal Direnç (AMR) disiplinler arası araştırma grubundan araştırmacılar, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT), Nanyang Teknoloji Üniversitesi (NTU Singapur) ve Amerika Birleşik Devletleri, Polonya ve Fransa’daki kurumlardan işbirlikçileriyle birlikte, bakterilerin metabolik strese nasıl tepki verdiğiyle bağlantılı bir kimyasal modifikasyon üretmekten sorumlu ilk tanımlanmış piridoksal fosfat (PLP) bağımlı enzim olan aminovaleramididin sentetazı (AvaS) keşfettiler.

Bu temel keşif, bakterilerin protein üretimini kontrol etmek için RNA modifikasyonunu nasıl kullandığına yeni bir ışık tutuyor, bakteriyel adaptasyonu incelemek ve antimikrobiyal terapötikler için gelecekteki hedefleri belirlemek için yeni yollar açıyor.

Antimikrobiyal direnç, çağımızın en acil küresel sağlık ve kalkınma sorunlarından biridir. Bakteriler ve diğer patojenler mevcut tedavilere karşı hızla direnç geliştiriyor ve bu da enfeksiyonların tedavisini zorlaştırıyor. Yeni yaklaşımlar olmazsa, bugün rutin ameliyatlar ve hatta kağıt kesiği gibi küçük rahatsızlıklar yarın hayati tehlike oluşturabilir.

Bu çerçevede, AvaS’in, özellikle de PLP’ye bağımlı ilk tRNA değiştirici enzim olarak tanımlanması gibi temel keşifler, araştırmacılara bakterilerin nasıl hayatta kaldığını, uyum sağladığını ve tedaviye nasıl direnç gösterdiğini incelemek için kritik yeni bir mercek sunuyor ve antimikrobiyal direncin üstesinden gelmek için daha iyi stratejilere katkıda bulunabiliyor.

TRNA bakterilerin uyum sağlamasına nasıl yardımcı olur?

Bakteriler çeşitli stratejiler kullanarak antibiyotiklere karşı direnç geliştirebilirler; bunların birçoğu hangi proteinlerin yapıldığını, ne zaman yapıldıklarını ve ne kadar doğru üretildiklerini düzenleme yeteneklerine bağlıdır; ilaçları hücrelerinden dışarı pompalayarak, ilaçları parçalayan enzimler oluşturarak veya antibiyotiklerin hedeflerinden kaçınmak için yeni hücresel süreçler geliştirerek.

Bu proteinleri oluşturmak için bakteriler, genetik talimatları okumak ve protein üretimini yönlendirmek için RNA moleküllerine güvenir. Bu RNA molekülleri arasında, moleküler dağıtım araçları olarak görev yapan özel bir RNA sınıfı olan transfer ribonükleik asitler (tRNA’lar) bulunur ve bakterilerin strese ve antibiyotiklere maruz kalma gibi değişen koşullara tepki olarak proteinlerin nasıl yapıldığını kontrol etmesine yardımcı olan kimyasal ‘çıkartmalar’ getirir.

Eksik enzimin izini sürmek

“TRNA’da AvaS tarafından aminovaleramidin piridoksal fosfata bağlı biyosentezi” başlıklı bir makalede, Doğa Kimyasal BiyolojiAraştırmacılar, yeni bir enzim olan AvaS’i keşfettiklerini açıkladılar ve bunu, zatürre ve sepsis gibi çeşitli ciddi insan enfeksiyonlarından sorumlu olan zararlı bir bakteri olan Pseudomonas aeruginosa’da aminovaleramid sitidin (ava²C) olarak bilinen bir tRNA kimyasal modifikasyonunun yaratılmasından sorumlu enzim olarak tanımladılar.

ava²C daha önce çeşitli bakteri ve bitkilerde tespit edilmiş olsa da, bu değişikliğin üretilmesinden sorumlu olan enzim daha önce bilinmiyordu.

SMART AMR’nin yüksek verimli sıvı kromatografisi-tandem kütle spektrometrisi (LC-MS/MS) tabanlı RNA modifikasyon profilleme platformunu kullanma, daha önce rapor edilmiştir. Nükleik Asitler AraştırmasıEkip, binlerce Pseudomonas aeruginosa mutantını sistematik olarak taradı ve AvaS’ı keşfetti.

Araştırmacılar ayrıca Acinetobacter baumannii ve Vibrio cholerae bakterilerinin yanı sıra Arabidopsis thaliana bitkisi de dahil olmak üzere diğer organizmalarda ava²C’nin varlığını doğruladılar.

PLP enzimleri için daha geniş bir rol

Araştırma, AvaS’ın bilinen bir modifikasyon olan lisidin’i (k²C) ava²C’ye dönüştürmek için bir B6 vitamini türevi olan PLP’yi kullandığını ortaya çıkardı. Bu, PLP’ye bağımlı bir enzimin tRNA modifikasyonuna bağlandığı ilk seferdir. Geleneksel olarak PLP’ye bağımlı enzimler yalnızca amino asit metabolizması ve ilgili biyokimyasal yollarla ilişkilendirilmiştir.

Bulgular, PLP’ye bağımlı enzimler hakkında birkaç önemli bilgiyi ortaya çıkardı. İlk olarak keşif, PLP’ye bağımlı enzimlerin daha önce tanınmayan bir tRNA değiştirici enzim sınıfı olduğunu ortaya koyuyor ve bakterilerin protein üretimini düzenlemek için kullandığı metilasyon, tiyolasyon ve izomerizasyon gibi bilinen kimyasal mekanizmaları genişletiyor.

İkincisi, PLP’ye bağımlı enzimlerin tamamen yeni bir biyolojik fonksiyonunu ortaya çıkararak, bunların metabolik süreçlerdeki köklü rollerine ek olarak tRNA’yı doğrudan değiştirebildiklerini ortaya koyuyor.

Araştırma ayrıca ava²C’nin bakterilerin genetik kodları okuma şeklini değiştirdiğini, bakterilerin daha hızlı ve daha verimli protein üretmesine olanak sağladığını ve metabolik ve oksidatif strese uyum sağlamalarına yardımcı olduğunu buldu.

SMART AMR’nin baş araştırmacısı, MIT’de biyolojik mühendislik profesörü ve makalenin eş-yazarı olan Profesör Peter Dedon, “Birçok RNA modifikasyonu onlarca yıldır bilinmesine rağmen, araştırmacılar hala rollerinin tüm kapsamını ortaya çıkarıyor” dedi.

“AvaS’ın keşfi, RNA biyolojisinde daha önce bilinmeyen bir bölümü açıyor ve antimikrobiyal dirençle ilgili süreçleri anlamamızda ileriye doğru atılmış önemli bir adımdır. RNA modifikasyon ortamını haritalandırmaya devam ettikçe, bulaşıcı hastalıklar, antimikrobiyal direnç ve temel biyoloji için anlamlı sonuçları olan çok daha fazla keşif bekliyoruz.”

Makalenin ilk yazarı ve makalenin eş-yazarı olan SMART AMR’de araştırma bilimcisi olan Dr. Jingjing Sun, “Keşfimiz, ilk kez, PLP’ye bağımlı enzimlerin tRNA’yı doğrudan değiştirebildiğini ortaya çıkararak, RNA değiştirici kimya hakkındaki bilgimizi ve anlayışımızı genişletti. Bu, bakteriyel adaptasyonu incelemek ve ilaca dirençli bakterilerin üstesinden gelmek için daha etkili stratejiler geliştirmek için yeni yollar açıyor” diye ekledi.

ava²C araştırması için sonraki adımlar

Bu keşiften yola çıkan SMART AMR ekibi, ava²C’nin bakteriyel stres tepkilerini ve metabolizmayı nasıl etkilediğini araştırmayı ve modifikasyonun nasıl bozulabileceğini veya önlenebileceğini keşfetmeyi planlıyor. Bu süreci anlamak, zararlı bakterilerle savaşmanın yeni yollarını ortaya çıkarabilir ve gelecekteki antimikrobiyal tedavileri geliştirebilir.

Ava²C’nin bitkilerde de gözlemlenmesiyle, gelecekteki çalışmalar, diğer canlı organizmaların belirli kimyasal modifikasyonlar üretmek için benzer biyolojik araçları kullanıp kullanmadığını ve ava²C’nin proteinlerin bakterilerin ötesinde inşa edilme şeklini nasıl etkilediğini keşfedebilir.

Daha genel anlamda bu çalışma, SMART AMR’nin türünün ilk örneği olan epitranskriptomik platformunun, bilinmeyen RNA değiştirici enzimleri geniş ölçekte keşfetmeye yönelik güçlü bir motor olarak gücünü vurgulamaktadır. Bu yetenek aynı zamanda biyoteknoloji ve farmasötik araştırmacılarının yeni ilaç hedefleri bulmasını ve özellikle bakterilerin mevcut ilaç tedavilerine karşı direnç geliştirmeye devam etmesi nedeniyle daha iyi tedaviler geliştirmelerini destekleyebilir.