麻省理工學院的化學家們發現了一種能夠將有毒分子從細菌細胞中抽出的蛋白質的結構。與這種在大腸桿菌中發現的蛋白質相似，被認為有助於細菌對多種抗生素產生抗藥性。利用核磁共振（NMR）光譜，研究人員能夠確定當一個類似藥物的分子在其中移動時，這種蛋白質的結構如何變化。

麻省理工學院化學教授Mei Hong說，對這種詳細結構的了解可能使我們有可能設計出能夠阻斷這些運輸蛋白的藥物，並幫助耐藥性細菌對現有抗生素重新變得敏感。他表示：”知道這種蛋白質的藥物結合口袋的結構，人們可能會嘗試設計這些底物的競爭者，這樣就可以阻斷結合部位，防止蛋白質從細胞中清除抗生素。”

麻省理工學院的研究生Alexander Shcherbakov是這項研究的主要作者，該論文今天刊登在《自然通訊》上。該研究團隊還包括麻省理工學院的研究生Aurelio Dregni和威斯康星大學麥迪遜分校的兩名研究人員：研究生Peyton Spreacker和生物化學教授Katherine Henzler-Wildman。

通過細胞膜將藥物泵出是細菌可以用來逃避抗生素的許多策略之一。幾年來，威斯康星大學的Henzler-Wildman小組一直在研究一種名為EmrE的膜結合蛋白，它可以運輸許多不同的有毒分子，包括除草劑和抗菌化合物。

EmrE屬於一個叫做小型多藥耐藥性（SMR）運輸器的蛋白質家族。儘管EmrE沒有直接參與抗生素的抗性，但該家族的其他成員已經在結核分枝桿菌和鮑曼不動桿菌的耐藥形式中被發現。

“SMR轉運體在蛋白質的關鍵區域具有高度的序列一致性。”Henzler-Wildman說：”EmrE是迄今為止研究得最好的家族成員，無論是在體外還是在體內，這使得它成為研究支持SMR活性的結構的理想模型系統。”

幾年前，Hong的實驗室開發了一種技術，使研究人員能夠使用核磁共振來測量蛋白質中氟探針和氫原子之間的距離。這使得確定蛋白質的結構成為可能，因為它與一個含有氟的分子結合。

在Hong在一次會議上發表了關於這項新技術的演講後，Henzler-Wildman建議他們合作研究EmrE。她的實驗室已經花了很多年時間研究EmrE如何在磷脂膜上運輸一種類似藥物的分子，或配體。這種配體被稱為F4-TPP+，是一個四面體分子，上面附著四個氟原子，每個角都有一個。

利用這種配體和Hong的新核磁共振技術，研究人員著手確定EmrE的原子分辨率結構。人們已經知道，每個EmrE分子包含四個大致平行的跨膜螺旋。兩個EmrE分子組裝成一個二聚體，因此八個跨膜螺旋形成內壁，當配體在通道中移動時與之相互作用。以前的研究揭示了螺旋的整體拓撲結構，但沒有揭示延伸到通道內部的蛋白質側鏈，這些側鏈就像抓住配體的手臂，幫助引導它通過通道。

EmrE將有毒分子從pH值為中性的細菌細胞內部運輸到pH值為酸性的外部。這種跨膜的pH值變化會影響EmrE的結構。在2021年的一篇論文中，Hong和Henzler-Wildman發現了該蛋白在酸性環境中與F4-TPP+結合時的結構。在新的《自然通訊》研究中，他們分析了中性pH值下的結構，使他們能夠確定蛋白質的結構如何隨著pH值的變化而變化。

研究人員在這項研究中發現，在中性pH值下，構成通道的四個螺旋相對平行，形成一個配體可以輕易進入的開口。隨著pH值的下降，向膜的外部移動，螺旋開始傾斜，使通道向細胞的外部更加開放。這有助於將配體從通道中推出。同時，在蛋白質側鏈中發現的幾個環以一種同樣有助於引導配體離開通道的方式改變其方向。

通道的酸性末端也更歡迎質子，質子進入通道並幫助它進一步打開，使配體更容易離開。

“這篇論文真正描述了整個過程，”Hong說。”一個結構是不夠的。你需要兩個，以弄清楚一個轉運器如何能夠真正向膜的兩邊開放，因為它應該把配體或抗生素化合物從細菌內部泵出細菌。”

EmrE通道被認為可以運輸許多不同的有毒化合物，因此Hong和她的同事現在計劃研究其他分子如何通過該通道。

這項研究得到了美國國立衛生研究院和麻省理工學院科學學院Camplan基金的資助。