Τον "εξοπλισμό" που επιτρέπει στα βακτήρια να επιβιώνουν μετά από έκθεση σε αντιβιοτικά αποκάλυψε μια έπιστημονική συνεργασία με επικεφαλής ομάδα του Πανεπιστημίου Cornell. Ο μηχανισμός αυτός βοηθά ένα σύμπλεγμα πρωτεϊνών να αποβάλλει ένα ευρύ φάσμα αντιβιοτικών από το κύτταρο.Τώρα που ο μηχανισμός έχει εντοπιστεί, οι ερευνητές χρησιμοποιούν χημικούς και μηχανικούς χειρισμούς για να διακόψουν τη διαδικασία, ώστε τα αντιβιοτικά να μπορούν να δρουν απρόσκοπτα.
Επικεφαλής της έρευνας ήταν ο Peng Chen, καθηγητής χημείας. Συν-επικεφαλής συγγραφείς είναι οι Wenyao Zhang, Ph.D. '23, και Christine Harper, Ph.D. '22.
Ορισμένα βακτήρια είναι πιο ανθεκτικά στα αντιβιοτικά από άλλα, με τα λεγόμενα αρνητικά κατά Gram βακτήρια να είναι ιδιαίτερα ανθεκτικά επειδή διαθέτουν μια επιπλέον μεμβράνη για να θωρακίζονται. Διαθέτουν επίσης ένα εξελιγμένο υδραυλικό σύστημα με τη μορφή ενός τριμερούς πρωτεϊνικού συμπλόκου -- MacAB-TolC -- που εκτείνεται στην εσωτερική και την εξωτερική μεμβράνη του κυττάρου, καθώς και στο περιπλάσμα που τις συνδέει. Κάθε μία από τις τρεις βασικές πρωτεΐνες καταλαμβάνει διαφορετική θέση: Η TolC στην εξωτερική μεμβράνη, η MacB στην εσωτερική μεμβράνη και η MacA στο περιπλάσμα, αν και είναι αγκυροβολημένη στην εσωτερική μεμβράνη.
Αυτό το «τριμερές» πρωτεϊνικό σύμπλεγμα, γνωστό και ως αντλία εκροής πολλαπλών φαρμάκων, σχηματίζει έναν αγωγό που αποστραγγίζει όχι μόνο τα αντιβιοτικά αλλά και τους λοιμογόνους παράγοντες - δηλαδή μόρια που παράγονται από το ίδιο το βακτηριακό κύτταρο και μπορούν να μολύνουν ή να θέσουν με άλλο τρόπο σε κίνδυνο τον ξενιστή του.
Προκειμένου να αποβάλουν τις τοξίνες, οι τρεις πρωτεΐνες πρέπει να συναρμολογηθούν με μια συγκεκριμένη στοιχειομετρία ή χημική ισορροπία. Δύο πρωτεΐνες MacB συναρμολογούνται με έξι πρωτεΐνες MacA και στη συνέχεια με τρεις πρωτεΐνες TolC. Αυτή η αναλογία έχει γίνει καλά κατανοητή, αλλά οι ερευνητές έχουν αναρωτηθεί, μόλις συναρμολογηθεί η δομή, πώς τα μόρια στο περιπλάσμα εισέρχονται στο κανάλι που διατρέχει το σύμπλεγμα και μέσω ποιων διαφορετικών τύπων υποστρωμάτων αντλούνται.
Η ομάδα του Chen χρησιμοποίησε απεικόνιση με ένα μόνο μόριο σε βακτηριακά κύτταρα E. coli για να κατανοήσει καλύτερα τις αλληλεπιδράσεις των πρωτεϊνών. Όταν μέτρησαν τη συγκέντρωση των πρωτεϊνών στο εσωτερικό του κυττάρου, διαπίστωσαν ότι η στοιχειομετρία ήταν στην πραγματικότητα ανισόρροπη, με πλεόνασμα MacBs να περιφέρεται (και ακόμη περισσότερη TolC, γνωστή από προηγούμενες μελέτες), πολύ περισσότερη από όση ήταν απαραίτητη για τη διαμόρφωση του συμπλόκου 2:6:3. Συν τοις άλλοις, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι η πρωτεΐνη MacA μπορούσε να αποσυναρμολογηθεί από το συγκρότημα MacAB-TolC.
Για να ελέγξει αν ο μηχανισμός θα μπορούσε να διακοπεί, η ομάδα του Chen συνεργάστηκε με μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Σαν Φρανσίσκο, με επικεφαλής τον πρώην καθηγητή του Cornell Christopher Hernandez, ο οποίος ανέπτυξε μια μικρορευστομηχανή που μπορεί να αλλάξει την αντίσταση ενός μεμονωμένου βακτηρίου στην τοξίνη εφαρμόζοντας μηχανική πίεση.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η συμπίεση του E. coli μέσω της συσκευής παραμόρφωσε το κύτταρο αρκετά ώστε να διαταράξει το συναρμολογημένο σύμπλεγμα και να το εμποδίσει να αντισταθεί στα αντιβιοτικά.
Αφού εδραίωσε τη σχέση μεταξύ της μονόπλευρης στοιχειομετρίας των πρωτεϊνών και της κυτταρικής λειτουργίας, ο Chen είναι τώρα περίεργος να διερευνήσει πώς αυτή η σχέση ισχύει και για άλλα συστήματα.
