利用核磁共振(NMR)光谱学，研究人员能够确定这种蛋白质的结构在药物样分子通过它时是如何变化的。麻省理工学院化学教授Mei Hong说，了解这种详细的结构可能使设计药物成为可能，这些药物可以阻止这些运输蛋白，并帮助耐药细菌对现有的抗生素重新敏感。

“了解这种蛋白质的药物结合袋的结构，人们可能会尝试设计这些底物的竞争对手，这样你就可以阻断结合位点，阻止蛋白质从细胞中去除抗生素，”该论文的资深作者Hong说。

麻省理工学院的研究生Alexander Shcherbakov是这项研究的主要作者自然通讯。研究小组还包括麻省理工学院的研究生Aurelio Dregni和威斯康星大学麦迪逊分校的两名研究人员:研究生Peyton Spreacker和生物化学教授Katherine Henzler-Wildman。

耐药性转运蛋白

将药物通过细胞膜排出是细菌用来逃避抗生素的众多策略之一。几年来，威斯康辛大学的亨兹勒-怀尔德曼小组一直在研究一种叫做EmrE的膜结合蛋白，它可以运输许多不同的有毒分子，包括除草剂和抗菌化合物。

EmrE属于一种被称为小多药耐药(SMR)转运蛋白的蛋白质家族。虽然EmrE与抗生素耐药性没有直接关系，但已经发现了该家族的其他成员的耐药形式结核分枝杆菌和不动杆菌baumanii。

“SMR转运体在蛋白质的关键区域具有高度的序列保守性。EmrE是迄今为止研究得最好的家族成员在体外和在活的有机体内亨茨勒-怀尔德曼说:“这使它成为研究支持SMR活动的结构的理想模型系统。”

几年前，Hong的实验室开发了一种技术，允许研究人员使用核磁共振来测量蛋白质中氟探针和氢原子之间的距离。这使得确定蛋白质与含有氟的分子结合时的结构成为可能。

洪在一次会议上发表了关于这项新技术的演讲后，亨茨勒-怀尔德曼建议他们合作研究EmrE。她的实验室花了多年时间研究EmrE如何通过磷脂膜运输药物样分子或配体。这个配体，被称为F₄泛太平洋伙伴关系⁺氟原子是一个四面体分子，四个氟原子分别附着在它的每个角上。

利用这种配体和Hong的新核磁共振技术，研究人员开始确定EmrE的原子分辨率结构。我们已经知道，每个EmrE分子包含四个大致平行的跨膜螺旋。两个EmrE分子组装成二聚体，因此八个跨膜螺旋形成内壁，当配体通过通道时与之相互作用。先前的研究已经揭示了螺旋的整体拓扑结构，但没有揭示延伸到通道内部的蛋白质侧链，这些侧链就像手臂一样抓住配体并帮助引导它通过通道。

EmrE将有毒分子从细菌细胞内部(pH值为中性)运输到外部(pH值为酸性)。这种跨膜pH值的变化会影响EmrE的结构。在2021年的一篇论文中，洪和亨茨勒-怀尔德曼发现了这种蛋白质与F₄泛太平洋伙伴关系⁺在酸性环境中。在新的自然通讯在研究中，他们分析了中性pH值下的结构，从而确定了蛋白质的结构如何随着pH值的变化而变化。

完整的结构

研究人员在这项研究中发现，在中性的pH值下，构成通道的四个螺旋相对平行，创造了一个配体可以容易进入的开口。当pH值下降，向膜外移动时，螺旋开始倾斜，通道向细胞外更加开放。这有助于将配体推出通道。与此同时，在蛋白质侧链中发现的几个环以某种方式改变了它们的方向，这也有助于引导配体离开通道。

通道的酸性端也更欢迎质子，质子进入通道并帮助通道进一步打开，使配体更容易离开。

“这篇论文真正完成了这个故事，”洪说。“一个结构是不够的。你需要两个，才能弄清楚转运蛋白是如何打开膜的两侧的，因为它应该把配体或抗生素化合物从细菌内部泵出细菌。”

EmrE通道被认为运输许多不同的有毒化合物，所以Hong和她的同事现在计划研究其他分子如何通过通道。

这项研究由美国国立卫生研究院和麻省理工学院科学运动基金资助。