An important mechanism of resistance to β-lactam antibiotics is via their β-lactamase–catalyzed hydrolysis. Recent work has shown that, in addition to the established hydrolysis products, the reaction of the class D nucleophilic serine β-lactamases (SBLs) with carbapenems also produces β-lactones. We report studies on the factors determining β-lactone formation by class D SBLs. We show that variations in hydrophobic residues at the active site of class D SBLs (i.e. Trp105, Val120, and Leu158, using OXA-48 numbering) impact on the relative levels of β-lactones and hydrolysis products formed. Some variants, i.e. the OXA-48 V120L and OXA-23 V128L variants, catalyze increased β-lactone formation compared with the WT enzymes. The results of kinetic and product studies reveal that variations of residues other than those directly involved in catalysis, including those arising from clinically observed mutations, can alter the reaction outcome of class D SBL catalysis. NMR studies show that some class D SBL variants catalyze formation of β-lactones from all clinically relevant carbapenems regardless of the presence or absence of a 1β-methyl substituent. Analysis of reported crystal structures for carbapenem-derived acyl-enzyme complexes reveals preferred conformations for hydrolysis and β-lactone formation. The observation of increased β-lactone formation by class D SBL variants, including the clinically observed carbapenemase OXA-48 V120L, supports the proposal that class D SBL-catalyzed rearrangement of β-lactams to β-lactones is important as a resistance mechanism.

中文翻译：

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对临床观察到的碳青霉烯酶形成的β-内酯的分析揭示了一种新的抗生素耐药机制。

对 β-内酰胺类抗生素耐药的一个重要机制是通过 β-内酰胺酶催化的水解。最近的研究表明，除了已确定的水解产物外，D 类亲核丝氨酸 β-内酰胺酶 (SBL) 与碳青霉烯类的反应也会产生 β-内酯。我们报告了 D 类 SBL 决定 β-内酯形成因素的研究。我们表明，D 类 SBL（即 Trp105、Val120 和 Leu158，使用 OXA-48 编号）活性位点疏水残基的变化会影响 β-内酯和形成的水解产物的相对水平。与WT酶相比，一些变体，即OXA-48 V120L和OXA-23 V128L变体，催化增加的β-内酯形成。动力学和产物研究的结果表明，除了直接参与催化的残基之外，残基的变化，包括那些由临床观察到的突变引起的突变，可以改变 D 类 SBL 催化的反应结果。NMR 研究表明，一些 D 类 SBL 变体催化所有临床相关碳青霉烯类形成 β-内酯，无论是否存在 1β-甲基取代基。对报道的碳青霉烯衍生酰基酶复合物晶体结构的分析揭示了水解和β-内酯形成的优选构象。D 类 SBL 变体（包括临床观察到的碳青霉烯酶 OXA-48 V120L）增加 β-内酯形成的观察结果支持了以下观点：D 类 SBL 催化的 β-内酰胺重排为 β-内酯作为耐药机制很重要。NMR 研究表明，一些 D 类 SBL 变体催化所有临床相关碳青霉烯类形成 β-内酯，无论是否存在 1β-甲基取代基。对报道的碳青霉烯衍生酰基酶复合物晶体结构的分析揭示了水解和β-内酯形成的优选构象。D 类 SBL 变体（包括临床观察到的碳青霉烯酶 OXA-48 V120L）增加 β-内酯形成的观察结果支持了以下观点：D 类 SBL 催化的 β-内酰胺重排为 β-内酯作为耐药机制很重要。NMR 研究表明，一些 D 类 SBL 变体催化所有临床相关碳青霉烯类形成 β-内酯，无论是否存在 1β-甲基取代基。对报道的碳青霉烯衍生酰基酶复合物晶体结构的分析揭示了水解和β-内酯形成的优选构象。D 类 SBL 变体（包括临床观察到的碳青霉烯酶 OXA-48 V120L）增加 β-内酯形成的观察结果支持了以下观点：D 类 SBL 催化的 β-内酰胺重排为 β-内酯作为耐药机制很重要。对报道的碳青霉烯衍生酰基酶复合物晶体结构的分析揭示了水解和β-内酯形成的优选构象。D 类 SBL 变体（包括临床观察到的碳青霉烯酶 OXA-48 V120L）增加 β-内酯形成的观察结果支持了以下观点：D 类 SBL 催化的 β-内酰胺重排为 β-内酯作为耐药机制很重要。对报道的碳青霉烯衍生酰基酶复合物晶体结构的分析揭示了水解和β-内酯形成的优选构象。D 类 SBL 变体（包括临床观察到的碳青霉烯酶 OXA-48 V120L）增加 β-内酯形成的观察结果支持了以下观点：D 类 SBL 催化的 β-内酰胺重排为 β-内酯作为耐药机制很重要。