Uma enzima bacteriana chamada histidina quinase é um alvo promissor para novas classes de antibióticos. No entanto, tem sido difícil desenvolver medicamentos que tenham como alvo esta enzima, porque é uma proteína “hidrofóbica” que perde a sua estrutura quando removida da sua localização normal na membrana celular.

Agora, uma equipa liderada pelo MIT descobriu uma forma de tornar a enzima solúvel em água, o que poderia tornar possível o rastreio rápido de potenciais medicamentos que possam interferir nas suas funções.

Os pesquisadores criaram sua nova versão da histidina quinase substituindo quatro aminoácidos hidrofóbicos específicos por três hidrofílicos. Mesmo após esta mudança significativa, descobriram que a versão solúvel em água da enzima manteve as suas funções naturais.

Nenhum antibiótico existente tem como alvo a histidina quinase, portanto os medicamentos que perturbam estas funções podem representar uma nova classe de antibióticos. Tais candidatos a medicamentos são extremamente necessários para combater o problema crescente da resistência aos antibióticos.

“Todos os anos, mais de 1 milhão de pessoas morrem de infecções resistentes a antibióticos”, diz Shuguang Zhang, principal cientista pesquisador do MIT Media Lab e um dos autores seniores do novo estudo. “Esta proteína é um bom alvo porque é exclusiva das bactérias e os humanos não a possuem.”

Ping Xu e Fei Tao, ambos professores da Universidade Jiao Tong de Xangai, também são autores seniores do artigo , que aparece hoje na Nature Communications. Mengke Li, estudante de pós-graduação da Universidade Jiao Tong de Xangai e ex-aluno visitante do MIT, é o autor principal do artigo.

Muitas das proteínas que desempenham funções celulares críticas estão incorporadas na membrana celular. Os segmentos dessas proteínas que atravessam a membrana são hidrofóbicos, o que permite que se associem aos lipídios que constituem a membrana. Porém, uma vez removidas da membrana, essas proteínas tendem a perder sua estrutura, o que dificulta seu estudo ou a triagem de medicamentos que possam interferir nelas.

Em 2018, Zhang e seus colegas desenvolveram uma maneira simples de converter essas proteínas em versões solúveis em água, que mantêm sua estrutura na água. Sua técnica é conhecida como código QTY, pelas letras que representam os aminoácidos hidrofílicos que são incorporados às proteínas. A leucina (L) transforma-se em glutamina (Q), a isoleucina (I) e a valina (V) transformam-se em treonina (T) e a fenilalanina (F) transforma-se em tirosina (Y).

Desde então, os pesquisadores demonstraram esta técnica em uma variedade de proteínas hidrofóbicas, incluindo anticorpos, receptores de citocinas e transportadores. Esses transportadores incluem uma proteína que as células cancerígenas usam para bombear medicamentos quimioterápicos para fora das células, bem como transportadores que as células cerebrais usam para transportar dopamina e serotonina para dentro ou para fora das células.

No novo estudo, a equipe decidiu demonstrar, pela primeira vez, que o código QTY poderia ser usado para criar enzimas solúveis em água que retivessem sua função enzimática.

A equipe de pesquisa optou por focar na histidina quinase, em parte devido ao seu potencial como alvo antibiótico. Atualmente, a maioria dos antibióticos atua danificando as paredes celulares bacterianas ou interferindo na síntese dos ribossomos, as organelas celulares que fabricam proteínas. Nenhum deles tem como alvo a histidina quinase, uma importante proteína bacteriana que regula processos como a resistência aos antibióticos e a comunicação entre células.

A histidina quinase pode desempenhar quatro funções diferentes, incluindo fosforilação (ativação de outras proteínas adicionando-lhes um grupo fosfato) e desfosforilação (remoção de fosfatos). As células humanas também possuem quinases, mas atuam em outros aminoácidos além da histidina, portanto, os medicamentos que bloqueiam a histidina quinase provavelmente não teriam qualquer efeito nas células humanas.

Depois de usar o código QTY para converter a histidina quinase em uma forma solúvel em água, os pesquisadores testaram todas as quatro funções e descobriram que a proteína ainda era capaz de realizá-las. Isto significa que esta proteína pode ser utilizada em rastreios de alto rendimento para testar rapidamente se potenciais compostos medicamentosos interferem com alguma dessas funções.

Usando o AlphaFold, um programa de inteligência artificial que pode prever estruturas de proteínas, os pesquisadores geraram uma estrutura para sua nova proteína e usaram simulações de dinâmica molecular para investigar como ela interage com a água. Eles descobriram que a proteína forma ligações de hidrogênio estabilizadoras com a água, o que a ajuda a manter sua estrutura.

Eles também descobriram que se apenas substituíssem os aminoácidos hidrofóbicos enterrados no segmento transmembranar, a proteína não manteria a sua função. Os aminoácidos hidrofóbicos devem ser substituídos em todo o segmento transmembrana, o que ajuda a molécula a manter as relações estruturais necessárias para funcionar normalmente.

Zhang agora planeja tentar essa abordagem na metano monooxigenase, uma enzima encontrada em bactérias que pode converter metano em metanol. Uma versão solúvel em água desta enzima poderia ser pulverizada em locais de libertação de metano, como celeiros onde vivem vacas, ou no degelo do permafrost, ajudando a remover da atmosfera uma grande quantidade de metano, um gás com efeito de estufa.

“Se pudermos usar a mesma ferramenta, o código QTY, na metano monooxigenase, e usar essa enzima para converter metano em metanol, isso poderá desacelerar as mudanças climáticas”, diz Zhang.

A técnica QTY também pode ajudar os cientistas a aprender mais sobre como os sinais são transportados pelas proteínas transmembranares, diz William DeGrado, professor de química farmacêutica na Universidade da Califórnia em São Francisco, que não esteve envolvido no estudo.

“É um grande avanço ser capaz de produzir proteínas funcionalmente relevantes e solubilizadas em água”, diz DeGrado. “Uma questão importante é como os sinais são transmitidos através das membranas, e este trabalho fornece uma nova maneira de abordar essa questão.”  

A pesquisa foi financiada, em parte, pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China.