Une nouvelle étude met en lumière la façon dont une protéine pompe les molécules toxiques hors des cellules bactériennes

En utilisant la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN), les chercheurs ont pu déterminer comment la structure de cette protéine change lorsqu’une molécule semblable à un médicament la traverse. La connaissance de cette structure détaillée pourrait permettre de concevoir des médicaments qui pourraient bloquer ces protéines de transport et aider à resensibiliser les bactéries résistantes aux médicaments aux antibiotiques existants, explique Mei Hong, professeur de chimie au MIT.

“Connaissant la structure de la poche de liaison aux médicaments de cette protéine, on pourrait essayer de concevoir des concurrents à ces substrats, de sorte que vous puissiez bloquer le site de liaison et empêcher la protéine d’éliminer les antibiotiques de la cellule”, explique Hong, qui est le auteur principal de l’article.

Alexander Shcherbakov, étudiant diplômé du MIT, est l’auteur principal de l’étude, qui paraît aujourd’hui dans Communication Nature. L’équipe de recherche comprend également l’étudiant diplômé du MIT Aurelio Dregni et deux chercheurs de l’Université du Wisconsin à Madison : l’étudiant diplômé Peyton Spreacker et le professeur de biochimie Katherine Henzler-Wildman.

Transporteurs de résistance aux médicaments

Le pompage des médicaments à travers leurs membranes cellulaires est l’une des nombreuses stratégies que les bactéries peuvent utiliser pour échapper aux antibiotiques. Depuis plusieurs années, le groupe de Henzler-Wildman à l’Université du Wisconsin étudie une protéine liée à la membrane appelée EmrE, qui peut transporter de nombreuses molécules toxiques différentes, y compris des herbicides et des composés antimicrobiens.

EmrE appartient à une famille de protéines appelées les petits transporteurs de résistance multidrogue (SMR). Bien qu’EmrE ne soit pas directement impliqué dans la résistance aux antibiotiques, d’autres membres de la famille ont été trouvés dans des formes résistantes aux médicaments. Mycobacterium tuberculosis et Acinetobacter baumanii.

“Les transporteurs SMR ont une conservation de séquence élevée dans les régions clés de la protéine. EmrE est de loin le membre le mieux étudié de la famille, à la fois in vitro et in vivoce qui en fait un système modèle idéal pour étudier la structure qui prend en charge l’activité SMR », déclare Henzler-Wildman.

Il y a quelques années, le laboratoire de Hong a développé une technique qui permet aux chercheurs d’utiliser la RMN pour mesurer les distances entre les sondes de fluor et les atomes d’hydrogène dans les protéines. Cela permet de déterminer la structure d’une protéine lorsqu’elle se lie à une molécule contenant du fluor.

Après que Hong ait donné une conférence sur la nouvelle technique lors d’une conférence, Henzler-Wildman a suggéré qu’ils s’associent pour étudier EmrE. Son laboratoire a passé de nombreuses années à étudier comment EmrE transporte une molécule de type médicament, ou ligand, à travers la membrane phospholipidique. Ce ligand, connu sous le nom de F₄-TPP⁺est une molécule tétraédrique à laquelle sont attachés quatre atomes de fluor, un à chaque coin.

En utilisant ce ligand avec la nouvelle technique RMN de Hong, les chercheurs ont entrepris de déterminer une structure à résolution atomique d’EmrE. On savait déjà que chaque molécule EmrE contient quatre hélices transmembranaires qui sont à peu près parallèles. Deux molécules EmrE s’assemblent en un dimère, de sorte que huit hélices transmembranaires forment des parois internes qui interagissent avec le ligand lorsqu’il se déplace dans le canal. Des études antérieures ont révélé la topologie globale des hélices, mais pas des chaînes latérales protéiques qui s’étendent à l’intérieur du canal, qui sont comme des bras qui saisissent le ligand et aident à le guider à travers le canal.

EmrE transporte les molécules toxiques de l’intérieur d’une cellule bactérienne, qui est à pH neutre, vers l’extérieur, qui est acide. Ce changement de pH à travers la membrane affecte la structure d’EmrE. Dans un article de 2021, Hong et Henzler-Wildman ont découvert la structure de la protéine lorsqu’elle se lie à F₄-TPP⁺ en milieu acide. Dans le nouveau Communication Nature étude, ils ont analysé la structure à un pH neutre, leur permettant de déterminer comment la structure de la protéine change à mesure que le pH change.

Une structuration complète

À pH neutre, les chercheurs ont découvert dans cette étude que les quatre hélices qui composent le canal sont relativement parallèles les unes aux autres, créant une ouverture dans laquelle le ligand peut facilement pénétrer. Au fur et à mesure que le pH baisse, se déplaçant vers l’extérieur de la membrane, les hélices commencent à s’incliner de sorte que le canal est plus ouvert vers l’extérieur de la cellule. Cela aide à pousser le ligand hors du canal. Dans le même temps, plusieurs anneaux trouvés dans les chaînes latérales des protéines modifient leur orientation d’une manière qui aide également à guider le ligand hors du canal.

L’extrémité acide du canal est également plus accueillante pour les protons, qui pénètrent dans le canal et l’aident à s’ouvrir davantage, permettant au ligand de sortir plus facilement.

“Cet article complète vraiment l’histoire”, déclare Hong. “Une structure ne suffit pas. Il en faut deux pour comprendre comment un transporteur peut réellement s’ouvrir des deux côtés de la membrane, car il est censé pomper le ligand ou le composé antibiotique de l’intérieur de la bactérie hors de la bactérie.”

On pense que le canal EmrE transporte de nombreux composés toxiques différents, donc Hong et ses collègues prévoient maintenant d’étudier comment d’autres molécules voyagent à travers le canal.

La recherche a été financée par les National Institutes of Health et le MIT School of Science Camplan Fund.