High Throughput Pipeline for Structure Based Drug Design, and Antibiotic Resistance Enzymes in particular

Når man har en bakterie infeksjon og tar antibiotika, håper man alltid at antibiotika skal hemme infeksjonen eller ødelegge mikrobene som forårsaker sykdom. Men når bakteriene er resistent mot virkningen av antibiotika blir behandling vanskelig. Utvikling og spredning av antibiotikaresistens er en alvorlig trussel mot all behandling av ofte helt vanlig infeksjonssykdommer. Dette prosjektet heter «High Throughput Pipeline for Structure Based Drug Design and for the Antibiotic Resistance metallo-beta-lactamases (MBL) in particular» og fokuserer på enzymene som gjør bakteriene resistente mot antibiotika, dvs laktamasene som inaktivere penicillin lignende antibiotika. Vi bruker protein krystallografi, Surface Plasmon Resonance (SPR), mikrobiologi, enzym assay og protein inhibitor studier. På denne delen av prosjektet jobber en forsker tett sammen med et annet FRIMEDBIO prosjekt og andre forskere på UiT Norges arktiske universitet og Universitetssykehuset Nord-Norge (UNN). Ved bruk av Surface Plasmon Resonance (SPR) har forskeren målt binding styrke av nesten 500 fragmenter og deres evne til å binde til 3 ulike laktamase enzymer. Dette har generert masse data og ca 20 fragmenter er identifisert med høyere bindings affinitet for en lakatamse klasse og ca 40 andre til en annen laktamase klasse. Disse hitene er fulgt opp og vi har ervervet oss 7 krystall strukturer med protein og disse fragmentene. For å oppnå disse resultatene har vi samlet > 100 datasett for det er vanskelig å få slike detaljerte strukturer. Vi har utviklet en ny metode for å få inhibitorer til å binde proteiner under krystallisering. Denne metoden er publisert og brukt på mange nye spennende inhibitorer som har gitt verdifulle resultater. Prosjektleder og forskeren var begge delaktig i å organisere Norsk Biokjemisk Selskap (NBS) sitt vintermøte i Tromsø 21.24.1.2016 som leder i organisasjons komitéen (Leiros) og som kontakt person for utstilleren (Christopeit). Dette møte er viktig arena for forskning innen bioteknologi og to firma som benytter seg av bioteknologi hadde interessante presentasjoner på møtet. Forskeren på prosjektet jobbet 6 uker på elektron akseleratoren i Grenoble i Frankrike, og fikk lært mer krystallografi og gjort forsøk på protein i løsning med «Small angle X-ray scattering (SAXS)». Vi har også bidratt med skole besøk på NorStruct laben, hatt populær vitenskapelig seminar for elever i 2. klasse i videregående skole, og hatt foredrag på NBS sin seminarserie på Ås og i Oslo. De viktigste resultatene fra dette prosjektet har vært: i) bruk av Surface Plasmon Resonance (SPR) for teste et fragment bibliotek der analager til fragmentene nå blir laget på organisk kjemi i Tromsø, og ii) den nye metoden med ko-krystallisering av protein og inhibitor etter avdamping av løsningsmidlet. De nye protein-inhibitor kompleksene bli nå brukt vider i en struktur basert drug design tilnærming for å finne bedre og mer potente inhibitorer. Det store prosjektet LacZymes som dette har vært en del av er presentert på Youtube (https://www.youtube.com/watch?v=NT1ksFkPOHs&feature=youtu.be), og også en film av mitt yrke som kjemiker: https://www.youtube.com/watch?v=19rmBVU_v_4&t=17s&index=4&list=PL77367A2AADC6EB4A.

High-resolution crystal structures of proteins reveal insights into function and enable rational drug and inhibitor design. Complex structures are even more valuable as specific interaction details, hydrogen binding donors and acceptors, residue determina nts and binding pockets are explored. But, to obtain a complex by soaking or co-crystalizing of drug/inhibitor result in many crystals soaked for different time, concentrations or solvent, thus each crystal is unique and must be tested preferable in a Hig h Throughput Pipeline. To obtain this we seek: i) >20 general cryo conditions optimized for drug/inhibitor solubility and ii) an efficient use of MX beam lines in order to rapidly detect binding. We will use the clinical relevant metallo-beta-lactamases VIM-2, VIM-7, AIM-1, GIM-1 and NDM-1 involved in antibiotic resistance against the most commonly used antibiotic beta-lactams. For these proteins the crystallization conditions are known, inhibitors are from new synthetized inhibitors, from marine extrac ts, or an in-house compound library that will be extended, and the drugs are commercially available. A High Throughput Pipeline for crystal structure evaluation is crucial for the scientific success, obtaining a complex with drug or inhibitor that will elucidate the pharmacophore with the beta-lactam drug, that will prolong the therapeutic lifetime of the drug, since the drug resistance caused by metallo-beta-lactamases are inactivated by the inhibitor. The ultimate goal is an inhibitor co-administered with the beta-lactam drug, which will prolong the life time of the drug, since the drug resistance caused by the metallo-beta-lactamases are inactivated by the inhibitor.