Przełomowe odkrycie w badaniach nad gyrazą DNA

Naukowcy z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego we współpracy z badaczami 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 niezbędną rolę w procesie superskręcania DNA, który jest kluczowy dla przetrwania bakterii. Korzystając z zaawansowanej mikroskopii krioelektronowej, naukowcy uchwycili 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.

Superskręcanie i stabilizacja

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. Jednak gumka po uwolnieniu szybko się rozkręca, a 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. Naukowcy pokazali, 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 umożliwiło nam 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 i pierwsza autorka pracy.

Przełomowe odkrycie

To odkrycie zmienia dotychczasowe wyobrażenie o mechanizmie działania gyrazy, badanym przez dekady. Obrazy uzyskane w badaniu ukazują enzym jako skoordynowany, wieloelementowy system. Każda część porusza się w nim 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. Może to wpłynąć na sposób projektowania nowych inhibitorów – podsumowuje prof. Jonathan Heddle z Uniwersytetu w Durham, współautor pracy.

Odkrycie to nie tylko poszerza naszą wiedzę o biologii bakterii. Daje także nadzieję na opracowanie nowych antybiotyków, które będą działać na gyrazę w bardziej precyzyjny sposób, omijając istniejące mechanizmy oporności.

Korzystając z właśnie opublikowanej wysokorozdzielczej struktury, nasi naukowcy planują już dalsze badania, m.in. uchwycenie dodatkowych etapów działania enzymu, tworząc molekularny „film” przedstawiający, jak działa gyraza. Takie podejście może pomóc w opracowaniu kolejnej generacji antybiotyków, które będą bardziej precyzyjne i skuteczne w zwalczaniu infekcji bakteryjnych.

Dane cryo EM zebrano przy użyciu mikroskopu elektronowego Titan Krios G3i znajdującego się w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS. Badania w MCB były finansowane z grantu NCN OPUS-20 (2020/39/B/NZ1/02898).

Publikację naukowców znajdziecie tutaj.

Źródło: Małopolskie Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego

Czytaj także: Wyjątkowe odkrycie w chemii cząsteczek bioorganicznych