Бактерия, не будьте такой устойчивой!

28 июля 2020


Фото носит иллюстративный характер. Из открытых источников.
Фото носит иллюстративный характер. Из открытых источников.
Антибиотикорезистентность — одна из главных проблем в медицине. Мы по-прежнему используем много антибиотиков, но практически перестали открывать новые. Любые подвижки в этом направлении привлекают повышенное внимание, и статья в журнале Nature Сhemical Biology о выявлении новых потенциальных возможностей не стала исключением. 


Свой сайт в рибосоме
 
Действие всех известных антибиотиков обычно направлено на блокировку самых важных процессов жизнедеятельности бактерий: синтез нуклеиновых кислот, белков и клеточной стенки. Новые антибиотики обычно создаются по образу и подобию своих предшественников, поэтому рано или поздно бактерии находят способ им противостоять. Львиная доля антибактериальных средств нацелена как раз на синтез белка: они связываются либо с рибосомой, либо со служебными белками, входящими в белоксинтезирующий аппарат, чтобы так или иначе помешать бактерии создавать нужные ей белки. Другие достаточно крупные классы антибиотиков мешают бактериям синтезировать нуклеиновые кислоты. К числу последних относятся тетраценомицины — их молекулы вклиниваются в бактериальную ДНК и нарушают ее репликацию (удвоение), без чего бактерия просто не может делиться. 

Международная группа ученых из Центра наук о жизни Сколковского института науки и технологий, Института функциональной геномики МГУ им. М. В. Ломоносова, Гамбургского университета и Университета Иллинойса обнаружила, что один из тетраценомицинов, называемый тетраценомицин X, действует иначе, а именно как «рибосомный» антибиотик, прилипая к рибосоме и блокируя синтез белков. Причем присоединяется он не к малой субъединице рибосомы, как, например, тетрациклин, а к большой.

Тетраценомициновые антибиотики известны более 40 лет. Все это время ученые предполагали, что они работают за счет воздействия на ДНК бактерий. И вот выяснилось, что тетраценомицин воздействует не на генетический материал клеток, а на большие субъединицы рибосом. По структуре это вещество схоже с группой хорошо изученных антибиотиков тетрациклинов, которые тоже нарушают синтез белка, но связываются совсем с другим участком рибосомы.

Рибосома — крупная клеточная структура с разными функциональными участками. Понять, как именно действует тетраценомицин X (TcmX), удалось с помощью криоэлектронной микроскопии: оказалось, TcmX входит в тот туннель, через который белковая молекула, синтезируемая рибосомой, выходит из нее наружу. Рядом с участком связывания TcmX есть сайты связывания других известных антибиотиков, макролидов и стрептограминов В, которые также подавляют синтез белка. Но даже если у бактерии есть устойчивость к макролидам и стрептограминам В, она не будет устойчивой и к TcmX.

Ключ к новому поколению антибиотиков

Итак, в рибосоме обнаружена новая мишень для антибиотиков. Однако и тут есть своя ложка дегтя! Исследователи провели сравнительный анализ последовательностей рРНК различных бактерий и выяснили, что у 37 % бактерий (в их числе такие патогены, как Neisseria gonorrhoeae, вызывающий гонорею, синегнойная палочка Pseudomonas aeruginosa, холерный вибрион Vibrio cholerae и возбудитель чумы Yersinia pestis) очень высокая чувствительность к TcmX. Однако некоторые бактерии в эксперименте проявляли устойчивость. Кроме того, молекула тетраценомицина ингибирует трансляцию белков как с бактериальной, так и с человеческой рибосомы. Это значит, что соединение может быть потенциально опасным для человека. Эксперименты с различными линиями клеток — HEK293T, HepG2, MCF-7, K562 — подтвердили, что TcmX обладает выраженными цитотоксическими свойствами. Уже известно, как можно модифицировать соединение, чтобы снизить его токсичность. Но, скорее всего, это и не потребуется.

А вот то, что тетраценомицин Х блокирует синтез белков у бактерий, не обладая при этом перекрестной резистентностью с уже известными ингибиторами синтеза белка, говорит о том, что бактериальные штаммы не будут к нему заведомо устойчивы. У изученной молекулы есть удивительная особенность: связывание тетраценомицина с рибосомами происходит по уникальным позициям — нуклеотидным основаниям в белках субъединицы рибосомы, — недоступным для других антибиотиков, что дает хорошие перспективы по преодолению устойчивости к ним у бактерий.

Это соединение может лечь в основу совершенно новых антибиотиков. У ученых сегодня появился реальный шанс создать антибиотики, которые будут действовать на немалое число устойчивых микробов, — будут ли это модификации тетраценомицина или же, что более вероятно, 
какие-то другие молекулы, связывающиеся с тем же участком в бактериальной рибосоме.

Илья Остерман, главный научный сотрудник  Центра наук о жизни Сколтеха, старший научный  сотрудник химического  факультета МГУ  им. М. В. Ломоносова:

Тетраценомицин Х подавляет работу и бактериальных, и человеческих рибосом, поэтому сам по себе не может быть антибактериальным препаратом. Однако в ходе данного исследования мы нашли новый сайт связывания антибиотика в рибосоме и новый структурный мотив ингибитора трансляции — структурные данные открывают возможность для рационального улучшения этого антибиотика с целью повысить его эффективность и селективность.

Тайны золотистого стафилококка

Результатом пятилетнего сотрудничества ученых России, Германии и Франции стала статья в журнале Nature Communications, где раскрыт механизм устойчивости к антибиотикам золотистого стафилококка.

Именно эта команда исследователей из Института белка РАН, Казанского федерального университета, Штутгартского университета и Института генетики и молекулярной и клеточной биологии в Страсбурге еще в 2016 году впервые полностью описала структуру рибосомы Staphylococcus aureus и сравнила ее с другими организмами. Сейчас же учеными раскрыт механизм стрессоустойчивости этих опасных бактерий, невосприимчивых ко всем существующим на данный момент антибиотикам.

Самый большой рибонуклеиновый комплекс в клетке — рибосома — состоит из большой и малой субъединиц. Малая отвечает за прочтение генетического кода, а функция большой заключается в обеспечении протекания реакции образования пептидной связи в растущей цепи белка. В неблагоприятных стрессовых условиях, к которым следует относить не только температурный режим, но и воздействие антибактериальных средств и иммунитета человека, бактерии переходят в режим энергосбережения. С помощью методов криоэлектронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа удалось выяснить механизм связывания с рибосомой белка Ribosome silencing factor S (RsfS), который по сути и защищает золотистый стафилококк от стрессов.

Исследователям годами не удавалось получить в высоком разрешении структуру комплекса бактериальных рибосом с белком RsfS, чтобы понять все детали его действия. Одной из проблем была высокая токсичность данного белка для клеток бактерий кишечной палочки E.coli (именно этот организм используется для получения белков в лабораторных условиях). Пока не появилась идея выделить данный белок одновременно с его мишенью в структуре рибосомы стафилококка — белком L14, входящим в состав большой субъединицы. Выяснилось, что если выделять обе компоненты одновременно, то они будут стабильными в растворе. Так удалось получить кристаллы этих белков и решить структуру методом рентгеноструктурного анализа на синхротроне. Далее потребовалось изучить детали процесса взаимодействия белка RsfS с рибосомой золотистого стафилококка, прибегнув к криоэлектронной микроскопии.

В конечном итоге авторам удалось детально показать молекулярный механизм действия белка RsfS на рибосомы золотистого стафилококка.

Сейчас дело за поиском и изучением белков, управляющих работой рибосомы патогена. Это необходимо, чтобы создать фармацевтические препараты, которые смогут наконец победить штаммы патогена, имеющего на сегодняшний день статус «непобедимого».

Оксана Григорьева, Минск