Luận án tiến sĩ: Cơ chế phản ứng giữa kháng sinh β-lactam và enzym PBP2a

• Tác giả: Nguyễn Hòa Mi
• Người hướng dẫn: Đặng Ứng Vận
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
• Đề tài: Nghiên Cứu Cơ Chế Phản Ứng Giữa Kháng Sinh β-Lactam Và Enzym PBP2a
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH
• 2.1. MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC CƠ HỌC PHÂN TỬ (MM/MD)
• 2.2. Phương pháp động lực phân tử MD
• 2.3. PHƯƠNG PHÁP QM/MM (HYBRID QUANTUM MECHANICS/MOLECULAR MECHANICS)
• 2.3.1. Phương pháp lai hóa QM/MM trong ONIOM
• 3. CHƯƠNG 3: CHUẨN BỊ INPUT VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN NGHIÊN CỨU CHO HỆ CỤ THỂ
• 3.1. ĐIỀU KIỆN TÍNH VỚI PHƯƠNG PHÁP MM/MD
• 3.1.1. Nghiên cứu đặc điểm của tâm hoạt động và khe hẹp gần tâm
• 3.1.2. Nghiên cứu tính hoạt động của protein và phối tử
• 3.1.3. Tính năng lượng tự do gắn kết của methicillin và nitrocefin lên các cấu trúc khác nhau của protein PBP2a
• 3.2. ĐIỀU KIỆN TÍNH VỚI PHƯƠNG PHÁP QM/MM (ONIOM)
• 3.2.1. Các mô hình tâm hoạt hóa
• 3.2.2. Các mô hình enzym
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. KẾT QUẢ TÍNH MM/ND
• 4.1.1. Về sự tồn tại của khe hẹp gần tâm hoạt động SER403 của PBP2a
• 4.1.2. Về tính linh động của phối tử và các axit amin vùng tâm hoạt động trong các phức axyl và phức michaelis của methicillin(MC1) và nitrocefin (NC1) với PBP2a
• 4.1.3. Năng lượng tự do gắn kết nitrocefin và methicillin lên các cấu trúc khác nhau của PBP2a
• 4.2. KẾT QUẢ TÍNH QM/MM
• 4.2.1. Đường năng lượng phản ứng của các mô hình tâm hoạt hóa
• 4.2.2. Đường năng lượng phản ứng của các mô hình protein
• 4.2.3. Lý do cho sự khác biệt trong hoạt tính giữa MC1 và NC1
• 4.2.4. Thảo luận
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Giới thiệu về kháng sinh β lactam và enzym PBP2a

Kháng sinh β-lactam là một nhóm thuốc kháng sinh quan trọng, bao gồm penicillin và cephalosporin, được phát hiện lần đầu vào những năm 1920. Chúng hoạt động bằng cách ức chế enzym PBP2a, một protein liên kết với penicillin, có vai trò quan trọng trong việc hình thành thành tế bào vi khuẩn. Tuy nhiên, sự xuất hiện của chủng vi khuẩn kháng thuốc như Staphylococcus aureus kháng methicillin (MRSA) đã đặt ra thách thức lớn trong điều trị nhiễm trùng. Việc nghiên cứu cơ chế phản ứng giữa kháng sinh β-lactam và enzym PBP2a là cần thiết để phát triển các phương pháp điều trị hiệu quả hơn. Theo nghiên cứu, PBP2a có khả năng duy trì hoạt tính xây dựng thành tế bào ngay cả khi có mặt của β-lactam, điều này cho thấy sự cần thiết phải hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của enzym này.

II. Cơ chế kháng thuốc của MRSA

MRSA thể hiện khả năng kháng thuốc thông qua nhiều cơ chế khác nhau. Một trong những cơ chế chính là sự sản sinh enzym β-lactamase, có khả năng thủy phân β-lactam, làm mất hoạt tính của kháng sinh. Các enzym này được phân loại thành nhiều lớp khác nhau, trong đó lớp A, C, và D hoạt động dựa trên serine, trong khi lớp B cần kẽm để hoạt động. Cơ chế thứ hai liên quan đến việc PBP2a tương tác với β-lactam để tạo thành phức không cộng hóa trị, sau đó chuyển thành phức cộng hóa trị axyl. Tuy nhiên, quá trình này diễn ra không hiệu quả, dẫn đến việc kháng thuốc. Việc hiểu rõ các cơ chế này không chỉ giúp phát triển các kháng sinh mới mà còn cung cấp thông tin quan trọng cho việc điều trị nhiễm trùng do MRSA.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp tính toán lý thuyết như QM/MM và MM/MD để mô phỏng cơ chế phản ứng giữa kháng sinh β-lactam và enzym PBP2a. Các phương pháp này cho phép phân tích chi tiết các tương tác giữa thuốc và enzym, từ đó đánh giá khả năng ức chế của thuốc. Kết quả cho thấy rằng việc thiết kế các kháng sinh mới cần phải xem xét đến các hàng rào năng lượng trong quá trình axyl hóa, nhằm tăng cường hiệu quả điều trị. Sự phát triển của công nghệ máy tính và phần mềm tính toán đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu này, mở ra hướng đi mới trong lĩnh vực hóa học tính toán.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng PBP2a có khả năng duy trì hoạt động ngay cả khi có mặt của β-lactam, điều này cho thấy sự cần thiết phải phát triển các kháng sinh mới có khả năng liên kết mạnh mẽ hơn với enzym này. Các mô hình tính toán cho thấy rằng năng lượng tự do gắn kết của methicillin và nitrocefin lên các cấu trúc khác nhau của PBP2a có sự khác biệt rõ rệt. Việc hiểu rõ cơ chế này không chỉ giúp giải thích hiện tượng kháng thuốc mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc phát triển các phương pháp điều trị hiệu quả hơn đối với các nhiễm trùng do MRSA.

V. Kết luận

Nghiên cứu về cơ chế phản ứng giữa kháng sinh β-lactam và enzym PBP2a đã cung cấp những hiểu biết quan trọng về hiện tượng kháng thuốc. Việc áp dụng các phương pháp tính toán lý thuyết như QM/MM và MM/MD đã giúp làm sáng tỏ các cơ chế hoạt động của enzym và khả năng ức chế của thuốc. Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị trong việc phát triển các kháng sinh mới mà còn góp phần vào việc cải thiện các phương pháp điều trị nhiễm trùng do MRSA, một vấn đề y tế toàn cầu nghiêm trọng.