Major Facilitator Superfamily transporters as targets for combatting wide-range antibiotic resistance

Multiresistent tuberkulose er en økende global trussel, med over 480 000 nye tilfeller hvert år, og med få løsninger. Infeksjoner forårsaket av non-tuberkuløse mykobakterier er også i sterk vekst. En av mekanismene bakteriene bruker er å selv transportere antibiotika ut av cellene før de får tid til å virke. Dette gjør de ved hjelp av legemiddel-transportører, små proteiner som ligger i membranen på bakteriene. Det ultimate målet med dette forskningsprosjektet er å bekjempe antibiotikaresistens ved utvikling av en ny type legemiddel som kan blokkere disse antibiotikatransportørene. En av disse transportørene sender i hovedsak antibiotikumet tetrasyklin ut av bakteriene. Dette gjør at mykobakterier (tuberkulose og andre lignende bakterier) ofte er resistente mot tetrasyklin. Vi tror også at transportøren kan være involvert i andre typer resistens, for eksempel rifampicin-resistens. Via et samarbeid med forskere ved Universitetet i Bergen, har vi funnet tre molekyler som ser ut til å blokkere funksjonen til transportøren. Dette vil bremse utviklingen av resistens i bakteriene. Det fine med disse molekylene er at de allerede er godkjente legemidler mot helt andre sykdommer. På den måten kan vi unngå noen av de lange og kostbare testene som helt nye legemidler må igjennom. Disse legemidlene kan dermed få et nytt bruksområde som soldater i krigen mot bakterier, dersom de videre testene er positive. Et annet mål med prosjektet er å løse 3D-strukturen av transportørene. Dette målet har vi ikke nådd helt ennå, men vi har kommet langt i å prøve ut ulike taktikker. Vi har blant annet funnet en inaktiv variant av transportøren som har potensiale til å krystallisere lettere, på samme måte som er vist for andre transportører tidligere. Denne varianten kan være løsningen på utfordringen. Deler av disse resultatene vil bli publisert i løpet av noen måneder, mens noe vil bli tatt over av samarbeidspartnere inntil videre.

Prosjektet har ført til utveksling av kompetanse mellom utlandet og Norge, og medført nye samarbeid mellom forskningsinstitusjoner, noe som kan føre til nye resultater i fremtiden. Den første publiserte vitenskapelige artikkelen vil demonstrere en effektiv måte å produsere og studere antibiotikatransportører. Dette vil være av stor nytte for forskere i hele verden som jobber med disse utfordrende proteinene. Virkningene av prosjektet i et samfunnsperspektiv er økt kunnskap om antibiotikaresistens og viktigheten av korrekt antibiotikabruk, via populærvitenskapelige produksjoner. Dette kan bremse utvikling av antibiotikaresistens, og føre til mindre risiko for antibiotikaresistente infeksjoner ved sykehusinnleggelser. Langsiktige virkninger av fremtidige publikasjoner inkluderer mer effektiv behandling av antibiotikaresistente infeksjoner. Dette inkluderer både kortere sykehusopphold og høyere kureringsrate.

Multi-resistant tuberculosis is a rising global threat, with approximately 480,000 new cases each year, and with few solutions. One of the mechanisms of resistance is drug efflux, where the bacteria transport antibiotics out of the cells. The ultimate goal of this project is to fight multi-resistant tuberculosis by the development of a new type of drug, targeting these drug-efflux transporters. To achieve this, I will determine the 3D structures and substrates of Major Facilitator Superfamily (MFS) transporters involved in multi-resistant tuberculosis. Structural information is vital for the rational design of inhibitors that will follow from this project. The inhibitors can be developed into drugs to be administered together with traditional antibiotics. This combinatory treatment could increase the efficacy and longevity of existing tuberculosis drugs. Key milestones: 1. Produce protein for structure determination 2. Solve the 3D structures using X-ray crystallography and/or cryo-electron microscopy 3. Identify substrates of the transporters using microbiology Structural determination of membrane proteins is challenging, but manageable with the employment of two strategies: including enough targets and homologs from related mycobacterial species, and the use of two methods for structural characterisation. The project findings will be of interest for pharmaceutical companies, but also for non-governmental organisations spreading awareness of tuberculosis as a global health emergency. There are hundreds of MFS transporters in pathogenic bacteria. The successful development of one MFS drug provides the toolkit to develop more, against other multi-resistant diseases.