Biophysical investigations on the crosstalk and kinetics of the bacterial ABC-exporter MsbA by MAS-NMR
Authors:   , Novischi Phoebe 
Published: April 2024

Die Zahl der gramnegativen Bakterien auf der WHO-Liste der Antibiotikaresistenzen hat in den letzten Jahrzehnten erheblich zugenommen. Schätzungen zufolge wird die Antibiotikaresistenz bis 2050 tödlicher sein als Krebs. Die äußere Membran gramnegativer Bakterien ist aufgrund ihres wichtigsten Strukturbestandteils, des Lipopolysaccharids (LPS), sehr anpassungsfähig an Umweltveränderungen. Das LPS macht gramnegative Bakterien von Natur aus resistent gegen viele Antibiotika und führt somit zu Antibiotikaresistenz. Der bakterielle ATP-bindende Kassettentransporter (ABC-Transporter) MsbA spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der bakteriellen Außenmembran, indem er das Kern-LPS durch ATP-Hydrolyse über die Innenmembran von gramnegativen Bakterien flockt. Darüber hinaus fungiert diese Floppase als Efflux-Pumpe, indem sie Medikamente durch die innere Membran transportiert, was sie zu einem interessanten Ziel für Medikamente macht. Vor kurzem wurden zwei verschiedene Klassen von MsbA-Inhibitoren entdeckt: (1) Tetrahydrobenzothiophene (TBT), die den LPS-Transport aufheben, und (2) Chinolinderivate, die sowohl die ATP-Hydrolyse als auch die LPS-Translokation blockieren. Darüber hinaus hat die Bestimmung der 3D-Struktur von MsbA durch Rontgen- und Kryo-EM mehrere interessante Zustände der Floppase ergeben. Die Kernspinresonanzspektroskopie ist eine hervorragende biophysikalische Methode zur Ergänzung der vorhandenen 3D-Strukturdaten. Insbesondere ermöglicht die Festkörper-NMR die Untersuchung von Membranproteinen in einer nativen Umgebung (z. B. in einer Lipiddoppelschicht). In der Vergangenheit hat unser Labor mithilfe der Festkörper-NMR einige detaillierte Mechanismen von MsbA aufgedeckt. Trotz der zahlreichen Fortschritte bei der Untersuchung der ABC-Transporterprotein-Superfamilie ist der spezifische Prozess der Substrattranslokation von MsbA noch immer unbekannt. Es wird angenommen, dass dieser Translokationsprozess über die Kopplungshelices (CHs) erfolgt, die sich zwischen der Transmembranregion (TMD) und der Nukleotidbindungsdomäne (NBD) befinden. Nukleotid-Bindungsdomäne (NBD). Zu diesem Zweck wird dem Zusammenspiel zwischen der TMD und der NBD über die CHs besondere Aufmerksamkeit gewidmet, mit dem Ziel, den Prozess der Substrattranslokation mithilfe von funktionellen Assays und Festkörper-NMR zu verstehen. Bei letzterem wurden spezifische Reporter in die CHs eingeführt, um Konformationsänderungen in 2D-spektroskopischen Daten zu verfolgen. Darüber hinaus wurde zeitaufgelöste NMR eingesetzt, um die Auswirkungen verschiedener Substrate in der TMD während der ATP-Hydrolyse in der NBD sichtbar zu machen. Die einzigartigen Reporter in den CHs haben Konformationsänderungen in bestimmten katalytischen Zuständen gezeigt. Darüber hinaus scheinen verschiedene Substrate die Kinetik der ATP-Hydrolyse zu beeinflussen. Die Ergebnisse zeigten, dass einige Substrate einen bevorzugten katalytischen Zustand innerhalb des ATP-Hydrolyse Zyklus aufweisen, der möglicherweise einen gekoppelten oder ungekoppelten Kinasemechanismus hat. Diese Ergebnisse könnten verschiedene Einblicke in die molekulare Struktur potenzieller neuer Antibiotika liefern.