Большинство антибиотиков - это обоюдоострые мечи. Помимо уничтожения патогена, против которого они назначены, они также уничтожают полезные бактерии и изменяют состав микробиома кишечника. В результате пациенты становятся более склонными к реинфекции, а вероятность появления резистентных к лекарствам штаммов возрастает.
Ответом на эту проблему могут стать антибиотики узкого спектра действия, которые убивают только один или несколько видов бактерий, сводя к минимуму риск сопутствующего вреда. В недавнем исследовании ученые внимательно изучили один из таких антибиотиков - фидаксомицин, используемый для лечения Clostridium difficile, или C. diff, одной из самых распространенных инфекций, связанных с оказанием медицинской помощи. Исследователи продемонстрировали на молекулярном уровне, как фидаксомицин избирательно действует на C. difficile, щадя при этом невинных бактерий. Результаты исследования, подробно изложенные в журнале Nature, могут помочь ученым в разработке новых антибиотиков узкого спектра действия против других патогенов.
"Я хотела бы, чтобы люди, ученые и врачи по-другому относились к антибиотикам", - говорит Элизабет Кэмпбелл, соавтор работы. "Поскольку наш микробиом имеет решающее значение для здоровья, методы узкого спектра действия должны сыграть важную роль в том, как мы будем лечить бактериальные инфекции в будущем".
C. diff - это бактерия, вырабатывающая токсины, которые могут вызвать воспаление толстой кишки и тяжелую диарею. Ею инфицировано около полумиллиона человек только в США, в основном в больничных условиях, и примерно каждый одиннадцатый из тех, кто старше 65 лет, умирает в течение месяца. В течение многих лет врачи использовали антибиотики широкого спектра действия для лечения C. diff. Фидаксомицин - относительно новая альтернатива, которая была одобрена FDA в 2011 году.
Как и некоторые другие антибиотики, включая противотуберкулезный препарат рифампицин, фидаксомицин воздействует на фермент РНК-полимеразу (RNAP), который бактерия использует для транскрипции кода ДНК в РНК. Чтобы понять, почему фидаксомицин избирательно ингибирует RNAP в C. diff, а не в большинстве других бактерий, Кэмпбелл совместно с биохимиком Робертом Лэндиком визуализировал RNAP C. diff с помощью криоэлектронной микроскопии - мощного метода визуализации, позволяющего выявить трехмерную форму молекул и запечатлеть молекулу лекарства и его мишень в действии. "Хотя общая архитектура RNAP у различных бактерий похожа, все же существуют значительные различия", - говорит Кэмпбелл.
Однако главная проблема заключалась в том, чтобы сначала произвести большое количество C. diff, анаэробного микроорганизма, который не растет в присутствии кислорода. Кэмпбелл коллеги потратили два года на разработку системы для более легкого получения RNAP C. diff с помощью E. Coli, легко культивируемой бактерии, часто используемой в лабораторных исследованиях.
Используя этот материал, они создали изображения RNAP C. diff, заблокированной фидаксомицином, с почти атомным разрешением. Попадая в соединение между двумя субъединицами RNAP, фидаксомицин разжимает клещи фермента, не позволяя ему захватить генетический материал и начать процесс транскрипции.
Внимательно изучая точки контакта между RNAP и фидаксомицином, исследователи выявили одну аминокислоту в RNAP, которая связывается с фидаксомицином, но отсутствует в основных группах микроорганизмов кишечника, которых фидаксомицин щадит. Генетически измененная версия C. diff, в которой отсутствовала эта аминокислота, не подвергалась воздействию фидаксомицина, как и другие комменсальные кишечные бактерии. И наоборот, бактерии, в RNAP которых она была добавлена, становились чувствительными к фидаксомицину.
Полученные результаты позволяют предположить, что одна из 4 000 аминокислот этой надежной и важной транскрипционной машины является ее ахиллесовой пятой, ответственной за уничтожение бактерий фидаксомицином. Подход, использованный в данном исследовании, предлагает "дорожную карту" для разработки новых и более безопасных антибиотиков, говорят исследователи. Выяснив структуру RNAP различных бактерий, ученые смогут разработать антибиотики, которые будут более избирательно и эффективно воздействовать на каждого патогена.
