Recentemente, a excelente revista académica internacional Nature publicou online os últimos resultados da pesquisa do professor Gong Hongri da Escola de Ciências da Vida da Universidade Nankai, do académico Rao Zihe e dos colaboradores. Este estudo elucidou o mecanismo molecular pelo qual a bedaquilina (BDQ) e o seu derivado TBAJ-587 inibem a ATP sintase no Mycobacterium tuberculosis e revelou o seu mecanismo de reação cruzada com a ATP sintase humana, tendo importante significado norteador para o desenvolvimento de uma nova geração de fármacos antituberculose altamente seletivos.

No dia 8 de julho, a conferência de divulgação dos resultados foi realizada no edifício Xingshen do campus Balitai da Universidade Nankai. O secretário do Comité do Partido da Universidade Nankai, Yang Qingshan, e o académico da Academia Chinesa de Ciências e ex-reitor da Universidade Nankai, Rao Zihe, participaram na conferência e discursaram. O académico da Academia de Engenharia da China e diretor do Laboratório Nacional de Guangzhou, Zhong Nanshan, preparou um discurso escrito. O ex-presidente do Primeiro Hospital Central de Tianjin, Shen Zhongyang, o ex-secretário do Comité do Partido da Universidade Medicina de Tianjin, Yao Zhi, o vice-presidente do Hospital Tórax de Pequim e ex-presidente do ramo de tuberculose da Associação Médica Chinesa, Li Liang, o diretor do Instituto de Genética da Universidade de Zhejiang e ex-diretor da Escola de Ciências da Vida da Universidade de Zhejiang, Guan Minxin, o pesquisador do Laboratório Nacional de Guangzhou, Bi Lijun, e quase 120 representantes dos meios de comunicação centrais e locais, bem como professores e estudantes da Universidade Nankai participaram para testemunhar este avanço na pesquisa científica.

O académico Zhong Nanshan disse no seu discurso escrito que o avanço desta conquista chave alcançada pelo professor Gong Hongri, Rao Zihe e pela equipa académica na investigação de medicamentos anti-resistentes à tuberculose não só consolidou a base da pesquisa teórica de ponta no campo da tuberculose, como também proporciona mais possibilidades para a conceção de medicamentos antituberculosos com maior seletividade, sendo ainda uma prática útil sob o novo sistema nacional. O Laboratório Nacional de Guangzhou continuará a apoiar as equipas de pesquisa para, com base nestes resultados, procurar medicamentos antituberculose com melhor eficácia clínica, menores efeitos colaterais e mais segurança e eficácia, alcançando o objetivo crucial de servir a saúde do povo.

A tuberculose é uma doença infecciosa causada pelo bacilo da tuberculose, que afeta principalmente os pulmões e pode levar à morte em casos graves, sendo um dos principais problemas de saúde pública de preocupação mundial. A bedaquilina é um inibidor da ATP sintase do Mycobacterium tuberculosis, que pode inibir efetivamente o seu crescimento. Este foi o primeiro novo medicamento antituberculoso comercializado a nível global em quase meio século e foi listado pela Organização Mundial da Saúde como o primeiro medicamento de eleição para o tratamento a longo prazo da tuberculose resistente à rifampicina e da tuberculose multirresistente. 

No entanto, a pesquisa descobriu que a bedaquilina aumenta o risco de arritmias cardíacas em pacientes devido à sua interação com o canal de íons de potássio da proteína hERG, além de possuir uma potencial atividade inibitória cruzada contra a ATP sintase de origem humana. Portanto, revelar o mecanismo de funcionamento da ATP sintase do Mycobacterium tuberculosis e o mecanismo de ação da bedaquilina, bem como o mecanismo molecular pelo qual ela inibe a atividade da ATP sintase humana, é de grande importância para o desenvolvimento de novos inibidores da ATP sintase do Mycobacterium tuberculosis.

A equipa de pesquisa usou primeiro a estratégia de “gene knock in - gene knock out - gene overexpression” em combinação com cromatografia de afinidade e purificação de proteínas por cromatografia de permeação em gel. Por fim, obteve uma amostra uniforme, estável e ativa da proteína ATP sintase de Mycobacterium tuberculosis com a ajuda de Mycobacterium smegmatis.

A seguir, a equipa de pesquisa explorou a otimização das condições de preparação de amostras congeladas e, com a ajuda da tecnologia de crio-microscopia eletrónica de partícula única, conseguiu analisar a estrutura de alta resolução da crio-microscopia electrónica da ATP sintase do Mycobacterium tuberculosis no estado de ligação com a bedaquilina (como mostrado na Figura 1). A pesquisa descobriu que a bedaquilina interage principalmente com a ATP sintase do Mycobacterium tuberculosis através de grupos quinolina (grupo A) e grupos dimetilamino (grupo D), e que se liga a múltiplos locais na região transmembrana, impedindo a rotação do anel C da ATP sintase na região transmembrana, consequentemente bloqueando o transporte de protões e, finalmente, prevenindo a síntese de ATP, atingindo assim o objetivo de “matar à fome” o Mycobacterium tuberculosis.

Figura 1:  Estrutura da crio-microscopia eletrónica da ATP sintase do Mycobacterium tuberculosis ligada à bedaquilina

Os derivados da bedaquilina mais representativos são o TBAJ-587 e o TBAJ-876, e ambos os medicamentos candidatos já entraram em ensaios clínicos. A equipa de pesquisa analisou a estrutura da crio-microscopia eletrónica de alta resolução da ATP sintase do Mycobacterium tuberculosis no estado de ligação com o TBAJ-587 (como mostrado na Figura 2). A estrutura mostra que o modo de ligação do TBAJ-587 à ATP sintase do Mycobacterium tuberculosis é o mesmo que o da bedaquilina. Além disso, o TBAJ-587 e bedaquilina interagem principalmente com a ATP sintase do Mycobacterium tuberculosis através dos grupos A e D.

Figura 2: Estrutura da crio-microscopia eletrónica da ATP sintase do Mycobacterium tuberculosis ligada ao TBAJ-587

Finalmente, os pesquisadores descobriram que tanto a bedaquilina quanto o TBAJ-587 exibem reatividade cruzada com a ATP sintase humana. Subsequentemente, os pesquisadores resolveram com sucesso a estrutura da crio-microscopia eletrónica da ATP sintase humana ligada à bedaquilina (como mostrado na Figura 3). A análise revelou que o TBAJ-587, baseado no redesenho dos grupos B e C da bedaquilina, apenas reduz o risco de arritmia cardíaca causada pela interação com a proteína hERG. Somente redesenhando e otimizando o grupo A será possível reduzir a interação com a ATP sintase humana, evitando assim potenciais riscos à saúde durante o tratamento clínico.

Figura 3: Estrutura da crio-microscopia eletrónica da ATP sintase humana ligada à bedaquilina

Vale a pena ressaltar que a Nature também convidou o professor Gregory Cook, ex-presidente da famosa “Gordon Conference on Bioenergetics” na comunidade académica internacional, e colegas para escrever uma resenha sobre os destaques desta pesquisa na coluna “News&Views”, intitulada “Blueprints for ATP machinery will aid tuberculosis drug design”.

O professor Gong Hongri disse que os resultados desta pesquisa são de grande importância para a pesquisa básica e transformação clínica da tuberculose, e que desempenharão um papel fundamental na promoção da otimização adicional da bedaquilina e no desenvolvimento de novos medicamentos semelhantes e ainda mais eficazes.

O académico Rao Zihe disse que “a nossa equipa está comprometida com o estudo da estrutura e função das proteínas relacionadas a patógenos infecciosos recém-emergentes e recorrentes, bem como com o desenvolvimento de medicamentos inovadores. Neste momento, já iniciámos o desenvolvimento de um novo tipo de inibidor da ATP sintase do Mycobacterium tuberculosis e esforçamo-nos para desenvolver um novo medicamento antituberculoso com direitos de propriedade intelectual independentes o mais rápido possível”.

Zhang Yuying e Lai Yuezheng, estudantes de doutoramento da Universidade Nankai, são os primeiros autores deste artigo. O professor Gong Hongri da Escola de Ciências da Vida da Universidade Nankai, o académico Rao Zihe, o pesquisador associado Liu Fengjiang do Laboratório de Guangzhou e o pesquisador associado Gao Yan do Instituto de Imunoquímica da Universidade ShanghaiTech são autores correspondentes. A Universidade Nankai é a primeira unidade de conclusão.

O trabalho acima foi apoiado por projetos como o Programa Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Chave para Jovens Cientistas e a Fundação Nacional de Ciências Naturais para Jovens Cientistas de Destaque.

Link do artigo:

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07605-8

（Edited and translated by Nankai News Team.)