Выявлен антибактериальный компонент, эффективный в отношении резистентных форм Staphylococcus aureus

Резюме. Соединение, извлеченное из морских глубоководных губок, проявляет выраженную антибактериальную активность в отношении устойчивых к метициллину стафилококков

Согласно данным недавнего исследования, алкалоид, экстрагированный из глубоководной морской губки, проявляет высокую антибактериальную активность в отношении резистентных к метициллину форм Staphylococcus aureus. Будучи устойчивыми к большинству бета-лактамных антибиотиков, среди которых в том числе метициллин, пенициллин, оксациллин и амоксициллин, эти бактерии часто могут служить причиной летальных исходов. Так, по данным Центров по контролю и профилактике заболеваемости (Centers for Disease Control and Prevention), США, ежегодно фиксируется более чем 80 тыс. случаев инвазивных инфекций, обусловленных резистентными формами Staphylococcus aureus, а также 11 285 связанных с ними смертей. Результаты работы, проведенной исследователями Харборского отделения Института океанографии Флоридского атлантического университета (Harbor Branch Oceanographic Institute, Florida Atlantic University), США, опубликованы в издании «Marine Drugs» 11 января 2017 г.

Исследователям удалось не только выделить, но и изучить структуру и биологическую активность нового индольного алкалоида — основы многих биологически активных компонентов. Новое вещество, проявляющее антибактериальную активность, названо драгмацидин G (dragmacidin G). В ходе исследования выявлено, что указанный индольный алкалоид обладает широким спектром биологической активности, включая ингибирование резистентных форм Staphylococcus aureus, а также панкреатических линий раковых клеток.

Руководитель исследования Эми Райт (Amy Wright), доктор философии и профессор Флоридского атлантического университета, которая курирует Институтскую программу исследования препаратов, отметила, что губки вида Spongosorites являются источником ряда биологически активных бисиндольных алкалоидов, которые проявляют достаточно широкий спектр активности в отношении бактерий, вирусов, грибов, плазмодиев, а также цитотоксическое и противовоспалительное влияние. Авторы работы подчеркнули, что при экспериментальном изучении нового биологически активного вещества продемонстрирована его высокая эффективность, которая в 10 раз превышала действие описанных ранее бисиндольных соединений, сохраняя при этом селективность в отношении бактериальных клеток.

За прошедшее десятилетие командой исследователей собрана база материалов, активность которых изучалась на предмет эффективности в отношении различных заболеваний как в лабораториях Харборского отделения Института океанографии Флоридского атлантического университета, так и в других партнерских лабораториях. В каждом случае после предварительного изучения активности определенного биоматериала следующим этапом исследования является проведение направленного фракционирования биологических проб для очистки биоактивных натуральных продуктов. Структура этих новых соединений изучается методом спектроскопии с акцентом на применении ядерно-магнитно резонансной спектроскопии. Применяя эти методы, исследователи могут изучать механизм действия новых соединений, используя широкий спектр методов, включая такие, как низкомолекулярная иммунохимическая хроматография для наблю­дения, подобно настоящему исследованию, развития бактериальных колоний, резистентных к драгмацидину G, с последующим исследованием генетических модификаций у резистентных бактерий. Кроме того, Э. Райт и соавторы сотрудничали с исследователями Университета центральной Флориды (University of Central Florida), анализируя особенности ингибирования роста Mycobacterium tuberculosis и Plasmodium falciparum. В серии трех последовательных анализов выявлена высокая эффективность фракций, содержащих новый очищенный бисиндольный алкалоид. В настоящее время ученые планируют дальнейшие исследования на основе полученных предварительных результатов.

• Florida Atlantic University (2017) Compound from deep-water marine sponge could provide antibacterial solutions for MRSA. ScienceDaily, Feb. 8 (https://www.sciencedaily.com/releases/2017/02/170208094147.htm).
• Wright A.E., Killday K.B., Chakrabarti D. et al. (2017) Dragmacidin G, a bioactive bis-indole alkaloid from a deep-water sponge of the genus spongosorites. Mar. Drugs, Jan. 11 (http://www.mdpi.com/1660-3397/15/1/16).

Наталья Савельева-Кулик

Рибопереключатели — новая мишень для антибиотиков

Рис. 1. Принцип поиска соединений, блокирующих синтез рибофлавина в бактериях. а — в присутствии ингибитора рибофлавин восстанавливает рост бактерий. b — и флавинмононуклеотид (FMN), и рибоцил блокируют функцию мРНК гена, участвующего в синтезе рибофлавина. Они связываются с рибопереключателем — регуляторным доменом в некодирующей области мРНК и блокируют ее трансляцию в белок. с — структуры флавинмононуклеотида и рибоцила сильно различаются. Рисунок из синопсисак обсуждаемой статье в Nature

Скрининг почти 57 000 токсичных для бактерий синтетических соединений позволил выявить высокоспецифический регулятор трансляции мРНК одного из генов пути синтеза рибофлавина, жизненно важного для батерий. Несмотря на отличие структуры этого регулятора (его назвали рибоцилом) от структуры естественного регулятора флавинмононуклеотида, рибоцил тоже оказался способным блокировать этот путь, выключая рибопереключатель гена ribB и подавляя таким образом трансляцию мРНК. Рибопереключатели могут стать перспективными мишенями для разработки новых синтетических лекарственных средств.

Открытие и успешное применение антибиотиков для лечения инфекционных заболеваний можно считать величайшим достижением медицины ХХ века. Открыватели антибиотиков были удостоены Нобелевских премий: в 1939 году премию присудили Герхарду Домагку за открытие антибактериального эффекта пронтозила (см. Prontosil), а в 1945 году премия досталась Александру Флемингу, впервые выделившему пенициллин, иХоварду Флори с Эрнстом Чейном, получившим его в чистом виде. Термин «антибиотики» был предложен в 1942 году Зельманом Ваксманом, который был награжден Нобелевской премией за открытие стрептомицина(в 1952 году). Традиционно антибиотиками называли природные антибактериальные или антигрибковые агенты. В последнее время это название распространяют и на искусственно синтезированные соединения, которые в ряде случаев даже более активны, чем природные.

Открытие антибиотиков оказалось одним из главных прорывов в медицине ХХ века и позволило справиться с большим числом ранее неизлечимых болезней. Но некоторое время назад стало ясно, что массовое применение антибиотиков служит сильным драйвером естественного отбора для многих патогенных бактерий, в результате чего они рано или поздно могут вырабатывать механизмы резистентности (устойчивости) к антибиотикам(см. также статьи А. Чубенко «Антибиотиковый апокалипсис» и Д. Гилярова «Конец прекрасной эпохи»). Можно выделить следующие основные пути приобретения резистентности:

• приобретение бактерией ферментов, разрушающих или модифицирующих антибиотик (например, в результате приобретения генов таких ферментов от других бактерий при помощи горизонтального переноса генов);
• перестройка структуры рибосом, в результате которой они перестают связываться с антибиотиком, блокирующим трансляцию;
• мутации мишеней антибиотиков — белков, участвующих в биогенезе клеточной стенки бактерий;
• генетические мутации бактерий, меняющие их метаболизм так, что пути метаболизма, блокируемые антибиотиком, перестают быть необходимыми;
• перестройки клеточной стенки бактерии или механизмов транспорта через нее, в результате которых антибиотик либо не проникает в клетку, либо быстро выводится.

Из сказанного ясно, что медицинская практика постоянно требует новые антибиотики. Однако многие фармацевтические компании отказываются от таких разработок, считая их нерентабельными.

Рис. 2. Структурная формула рибофлавина. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Исследователи корпорации Merck не последовали этой тенденции. Они сосредоточились на поиске соединений, подавляющих рост бактерий за счет блокировки у них пути синтеза рибофлавина (витамина В₂). Рибофлавин (рис. 2) является предшественникомфлавинмононуклеотида (ФМН) и флавинадениндинуклеотида — коферментов (небелковых компонентов) ряда окислительно-восстановительных ферментов, жизненно важных для всех организмов. Многие бактерии, растения и грибы могут синтезировать рибофлавин. Если рибофлавина в среде достаточно, срабатывает регуляторный механизм по принципу отрицательной обратной связи, и его синтез прекращается. (Позвоночные, в том числе человек, синтезировать рибофлавин не могут, а получают его с пищей. Человеку рибофлавин и его производные необходимы для продукции антител, образования эритроцитов и осуществления функции гемоглобина, многих других функций органов и организма.)

Поиски блокаторов путей синтеза рибофлавина проводились на модельном объекте — кишечной палочке. Эти пути одинаковы для многих микроорганизмов, в том числе болезнетворных. Нужные вещества искали среди синтетических низкомолекулярных ингибиторов роста бактерий: ученых интересовали те из них, которые подавляют рост бактерий за счет блокировки у бактерий синтеза рибофлавина. То есть эти ингибиторы должны были подавлять рост бактерий в отсутствие в среде рибофлавина, но позволять рост при наличии рибофлавина (рис. 1). На кишечной палочке было проверено примерно 57 000 (!) соединений и найдено то, которое отвечало нужным требованиям. Это вещество назвали рибоцилом (ribocil). При испытании in vivo на мышах рибоцил примерно в 1000 раз тормозил размножение патогенных бактерий.

В поисках мишени действия рибоцила ученые выращивали бактерии в присутствии сублетальных концентраций этого соединения, чтобы вывести устойчивые клоны. Когда бактерии переставали погибать от рибоцила (что означало, что они приспособились и выработали мутации устойчивости к рибоцилу), геномы полученного клона полностью секвенировали и сравнивали с геномом исходной кишечной палочки. Таким образом ученые определяли, в каких местах произошли мутации.

Оказалось, что мутации, вызывающие устойчивость к рибоцилу, локализованы в так называемомрибопереключателе гена ribB (рис. 3), кодирующего фермент DHBP-синтазу (см. DHBP synthase), ответственный за синтез одного из предшественников рибофлавина. Рибопереключатель представляет собой нуклеотидную последовательность, расположенную в 5′-нетранслируемой области мРНК перед последовательностью, кодирующей белок; он характеризуется выраженной вторичной структурой и служит для регуляции трансляции (о рибопереключателях, или РНК-переключателях, см. Сложные РНК-переключатели — новый механизм регуляции генов, «Элементы», 18.10.2006). Когда ФМН находится в среде в достаточном количестве, он образует с рибопереключателем конформацию, препятствующую трансляции мРНК. При дефиците ФМН трансляция мРНК возобновляется. Несмотря на то что структура молекулы рибоцила сильно отличается от ФМН, рибоцил тоже образует комплекс с рибопереключателем гена ribB и блокирует трансляцию мРНК. Это было подтверждено данными рентгеноструктурного анализа.

Рис. 3. Структура рибопереключателя гена ribB и локализация мутаций устойчивости к рибоцилу. а — cхема функционирования рибопереключателя гена ribB. Слева — флавинмононуклеотид (ФМН) связывается с аптамером рибопереключателя и вызывает изменение конформации платформы экспрессии, блокирующее трансляцию. Справа — в отсутствие ФМН конформация аптамера позволяет трансляцию. b — рассчитанная вторичная структура рибопереключателя гена ribB. Зелеными квадратами отмечены точки контакта с ФМН. Розовым цветом обозначены мутации устойчивости к рибоцилу. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Таким образом, авторы впервые идентифицировали синтетическую молекулу, способную «выключать» рибопереключатель несмотря на то, что она сильно отличается от природного эффектора. Это отличие снижает возможность проявления каких-то нежелательных побочных биологических эффектов. И действительно, даже очень высокие концентрации рибоцила оказались нетоксичными для мышей. В общем, авторы показали, что некодирующие рибопереключатели могут стать перспективными мишенями для разработки новых синтетических лекарственных средств. Если предложенный подход найдет практическое применение, то можно надеяться, что болезнетворные микроорганизмы достаточно долго не смогут выработать резистентность к новым антибиотикам.

Источники:
1) John A. Howe et al. Selective small-molecule inhibition of an RNA structural element // Nature. 2015. V. 526. P. 672–677.
2) Thomas Hermann. Non-coding RNA: Antibiotic tricks a switch // Nature. 2015. V. 526. P. 650–651. (Синопсис к обсуждаемой статье.)

Вячеслав Калинин

Бактерии общаются между собой так же, как нейроны головного мозга

Ученые выяснили, что бактерии обмениваются информацией между собой так же, как и нейроны головного мозга человека — при помощи ионных каналов. Подробнее с выводами исследователей можно ознакомиться в журнале Nature.

В своих экспериментах ученые использовали биопленку, состоящую из сотен тысяч бактерий Bacillus subtilis — сенной палочки, которая используется для получения некоторых полипептидных антибиотиков. В ходе работы выяснилось, что бактерии, которые находились по краям сообщества и имели неограниченный доступ к питательным веществам, время от времени переставали расти, отказываясь от пищи и «передавая» ее бактериям в центре колонии. Такое поведение требует координации действий, которая, как выяснили ученые, обеспечивалась при помощи «общения» через ионные каналы.

Ионные каналы — это транспортные белки особого типа, которые обеспечивают перемещение ионов сквозь клеточную мембрану. «Совсем как нейроны нашего головного мозга, бактерии используют ионные каналы, чтобы общаться друг с другом при помощи электрических сигналов. В этом смысле функционирование сообщества бактерий похоже на работу своеобразного «микробного мозга», — комментирует один из авторов исследования. Ученые полагают, что их открытие поможет пролить свет на происхождение некоторых неврологических заболеваний, которые могут иметь древние, восходящие еще к бактериям корни, а также способствовать разработке новых способов тестирования лекарств от мигрени или эпилепсии.