Вводная картинка

Антибиотики все чаще теряют свою эффективность. Как в России нашли решение этой проблемы?

Наука и техника

Российские ученые предложили новый метод борьбы с устойчивыми к антибиотикам бактериями на основе пептидов. Они открыли так называемый механизм направленной коагрегации, который основан на взаимодействии пептида, способного образовывать фибриллы, с бактериальным белком, блокируя его активность и подавляя рост микробов. «Лента.ру» подробно рассказывает об исследовании молекулярных биологов из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН и других научных организаций.

Средство против кризиса

Одной из серьезных глобальных проблем современности является кризис антибиотиков. Все больше бактерий приобретают устойчивость (резистентность) к лекарственным препаратам, которые были и остаются единственной надеждой на выздоровление для многих пациентов с микробными инфекциями. При этом скорость появления на рынке новых эффективных антибиотиков отстает от темпов распространения резистентности из-за сложности разработки таких препаратов и их внедрения в производство. На стадии клинических испытаний сейчас находятся всего несколько десятков противомикробных препаратов, но и они являются разновидностями уже известных классов антибиотиков. Бактерии потенциально могут очень быстро развить к ним устойчивость, что сделает эти лекарства бесполезными. По оценкам ученых, к 2050 году из-за антибиотикорезистентных инфекций, вызванных супербактериями, будет умирать несколько миллионов человек в год.

Сейчас ученые по всему миру работают над созданием принципиально новых антибактериальных препаратов. Например, такие лекарства обладают иммуномодулирующими свойствами, то есть усиливают иммунитет в борьбе против инфекции, другие — основаны на бактериофагах, то есть вирусах, поражающих бактериальные клетки. Одним из перспективных направлений является получение антимикробных пептидов (АМП), которые состоят из нескольких десятков аминокислотных остатков. В общем случае пептиды действуют, усиливая проницаемость мембран у бактерий через возникновение пор, но существуют и альтернативные механизмы.

Противомикробные пептиды, называемые цекропинами, были впервые обнаружены в гемолимфе насекомых — гусениц шелкопряда Hyalophora cecropia. Позднее пептиды обнаружили у земноводных, млекопитающих и даже растений. Известно, что бактериям гораздо труднее выработать устойчивость против пептидов, однако существует ряд препятствий для их широкого применения в медицине, например, активность in vivo (в живом существе) оказывается ниже, чем in vitro (в лабораторных условиях).

Амилоиды против микробов

Ранее учеными было показано, что амилоидогенные пептиды способны подавлять рост микробов, образуя агрегаты (амилоидные фибриллы) с бактериальными белками. Однако оставалось неясным, как способность формировать фибриллы связана со способностью оказывать противомикробный эффект. Чтобы прояснить механизм действия, ученые создали синтезированные пептиды и испытали их действие на ряде бактерий, включая синегнойную палочку Pseudomonas aeruginosa. В качестве целевого белка, с которым должен связываться пептид, был выбран рибосомный белок S1. Это уникальный белок для бактерий, который выполняет множество жизненно важных функций, в том числе регулирует копирование ДНК внутри микроорганизмов. Его отключение (нокаут) приводит к неминуемой гибели бактериальных клеток.

Препараты на основе амилоидогенных пептидов способны подавлять рост микробов, образуя амилоидные фибриллы с важными бактериальными белками

В прошлой работе исследователи уже описали строение белка S1 и обнаружили интересные характеристики, которые не встречаются у других подобных белков. Например, в S1 содержатся несколько одинаковых доменов, называемых ОВ-складкой. Домены — это особые участки белков, которые выполняют специфические функции. Ученые обнаружили, что количество доменов в S1 зависит от типа бактерий. Все грамотрицательные бактерии имеют в белке S1 шесть ОВ-складок, при этом функции каждой из них полностью не определены.

В новой работе исследователи с помощью методов биоинформатики проанализировали домены рибосомного белка S1 из разных видов грамотрицательных бактерий: E. coli (шесть доменов, 557 аминокислотных остатков), Thermus thermophilus (пять доменов, 536 аминокислотных остатков) и P. aeruginosa (шесть доменов, 559 аминокислотных остатков). Целью работы было выявить аминокислотные последовательности белка S1, которые склонны к агрегации и сами по себе могут обладать антибактериальными свойствами. Иными словами, эти участки при встрече с аналогичными аминокислотными фрагментами образуют фибриллы, блокирующие активность белка S1. Важно то, что эти последовательности не встречаются в эукариотических клетках, поэтому возможность того, что пептиды начнут образовывать агрегаты с человеческими белками, исключается.

Задел на будущее

По результатам анализа ученые синтезировали семь амилоидогенных пептидов из E. coli, четыре пептида из T. thermophilus и четыре пептида из P. aeruginosa. Для того чтобы синтезированные пептиды могли проникнуть через бактериальную мембрану и связаться с S1 белком, ученые сконструировали модифицированные пептиды с добавлением специальных аминокислотных последовательностей, увеличивающих проницаемость клеток.

Сами по себе белки S1 в различных бактериях не образовывали амилоидных фибрилл, однако отдельные участки действительно формировали агрегаты с пептидами. При этом коагрегация приводила к образованию агрегатов разного размера и фибрилл разного диаметра.

В случае патогенной бактерии P. aeruginosa сильные антибактериальные свойства среди пептидов, синтезированных на основе предсказанных амилоидогенных областей S1, были обнаружены у пептида R23L, для которого минимальная ингибирующая концентрация (МИК) составляла 8 микрограммов на миллилитр, что сопоставимо с действием антибиотика гентамицина. Среди пептидов из S1 T. thermophilus наиболее эффективным был пептид R23I (МИК около 50 микрограммов на миллилитр), действие которого было сопоставимо с антибиотиком канамицином. Что касается кишечной палочки, то пептиды на основе ее белка S1 не показали такого успеха, как в случае других бактерий. Ученые объясняют это тем, что E. coli обладает некоторой устойчивостью к исследуемым пептидам.

Таким образом, заключают исследователи, рибосомные белки S1 E. coli, T. thermophilus и P. aeruginosa содержат амилоидогенные последовательности, которые могут приводить к агрегации пептидных молекул друг с другом или с другими белками, имеющими сайты агрегации. S1-родственные домены обнаружены и в других бактериальных белках, что может увеличить количество мишеней для потенциальных пептидных препаратов.

Как пишут авторы работы, несмотря на низкую способность бактерий проявлять устойчивость к антимикробным пептидам, для предотвращения и противодействия появлению новых устойчивых к антибиотикам мутантов важно оценить адаптивную способность патогенных бактерий к пептидам. В целом механизм направленной коагрегации, который основан на взаимодействии пептида, способного образовывать фибриллы, с целевым белком, может стать основой для нового класса антимикробных препаратов, способных решить проблему устойчивости к антибиотикам.