Новая модель антибактериального действия антибиотиков
Биологи из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США обнаружили аберрантный белок, смертельно опасный для бактерий.
В статье, только что опубликованной в журнале PLOS ONE, ученые описывают, как этот ошибочно сформированный белок имитирует действие антибиотиков аминогликозидов. Недавно обнаруженный белок может послужить моделью, которая поможет ученым разгадать детали смертельного воздействия этих препаратов на бактерии - и потенциально указать путь к созданию будущих антибиотиков.
"Выявление новых мишеней у бактерий и альтернативных стратегий контроля роста бактерий будет приобретать все большее значение", - говорит биолог Пол Фреймут, возглавлявший исследование. Бактерии развивают резистентность ко многим широко используемым лекарственным препаратам, и многие ученые и врачи обеспокоены возможностью масштабных вспышек, вызванных этими резистентными к антибиотикам бактериями, пояснил он.
"То, что мы обнаружили, еще далеко от того, чтобы стать новым антибиотиком, но первый шаг - понять механизм", - пояснил Фреймут. "Мы идентифицировали один белок, который имитирует действие сложной смеси аберрантных белков, образующихся при воздействии на бактерии аминогликозидов. Это дает нам возможность изучить механизм, который убивает бактериальные клетки. Тогда, возможно, можно будет разработать новое семейство ингибиторов, которые будут делать то же самое".
Брукхейвенские ученые, которые обычно занимаются исследованиями в области энергетики, не думали об антибиотиках, когда начинали эту работу. Они использовали бактерии E. coli для изучения генов, участвующих в формировании клеточных стенок растений. Это исследование могло бы помочь ученым научиться более эффективно перерабатывать растительную биомассу в биотопливо. Но когда они включили экспрессию одного конкретного растительного гена, позволяющего бактериям производить белок, клетки немедленно прекратили рост.
"Этот белок оказывал острое токсическое действие на клетки. Все клетки погибли в течение нескольких минут после включения экспрессии этого гена", - рассказывает Фреймут. "Это стало по-настоящему интересно". Группа обнаружила, что токсичный фактор вовсе не был растительным белком. Это была цепочка аминокислот, строительных блоков белков, которая не имела смысла.
Эта бессмысленная последовательность была получена по ошибке, когда рибосомы бактерии перевели буквы генетического кода "не в фазе". Вместо того чтобы читать код фрагментами по три буквы, обозначающие конкретную аминокислоту, рибосома читала только две вторые буквы одного фрагмента плюс первую букву следующего триплета. Это привело к тому, что на место нужных аминокислот были поставлены неправильные.
"Это похоже на чтение предложения, начинающегося с середины каждого слова и соединяющегося с первой половиной следующего слова, в результате чего получается тарабарщина", - объясняет Фреймут. Белок тарабарщины напомнил ему о классе антибиотиков, называемых аминогликозидами. Эти антибиотики заставляют рибосомы совершать подобные ошибки при построении белков. В результате все рибосомы бактерии создают "тарабарские" белки. "Если в бактериальной клетке 50 000 рибосом, каждая из которых производит свой аберрантный белок, является ли токсический эффект результатом одного конкретного аберрантного белка или комбинации многих? Этот вопрос возник несколько десятилетий назад, но так и не был решен", - сказал Фреймут.
Новое исследование показывает, что для токсического эффекта может быть достаточно одного аберрантного белка. В этом нет ничего удивительного. Неправильно сформированные цепочки аминокислот не могут правильно складываться, чтобы стать полностью функциональными. Хотя неправильные белки образуются во всех клетках в результате случайных ошибок, в здоровых клетках они обычно обнаруживаются и полностью уничтожаются механизмами "контроля качества". Нарушение системы контроля качества может привести к накоплению аберрантных белков, вызывающих заболевания.
Следующим шагом было выяснить, может ли аберрантный растительный белок активировать систему контроля качества бактериальных клеток или каким-то образом блокировать ее работу. Фреймут и его коллеги обнаружили, что аберрантный растительный белок действительно активирует начальный этап контроля качества белка, но более поздние этапы этого процесса, непосредственно необходимые для деградации аберрантных белков, блокируются. Они также обнаружили, что граница между жизнью и смертью клетки зависит от скорости производства аберрантного белка.
"Когда клетки содержали много копий гена, кодирующего аберрантный растительный белок, механизм контроля качества обнаруживал белок, но не мог полностью его разрушить", - говорит Фреймут. "Однако, когда мы уменьшили количество копий гена, механизм контроля качества смог уничтожить токсичный белок, и клетки выжили".
То же самое, по его словам, происходит в клетках, обработанных сублетальными дозами аминогликозидных антибиотиков. "Реакция контроля качества была сильно активирована, но клетки все равно смогли продолжить рост", - сказал он.
Эти эксперименты показали, что единственный аберрантный растительный белок убивает клетки по тому же механизму, что и сложная смесь аберрантных белков, индуцированная аминогликозидными антибиотиками. Но точный механизм гибели клеток все еще остается загадкой. "Хорошая новость заключается в том, что теперь у нас есть один белок с известной последовательностью аминокислот, который мы можем использовать в качестве модели для изучения этого механизма", - отмечает Фреймут.
Ученые знают, что клетки, обработанные антибиотиками, становятся негерметичными, что позволяет таким веществам, как соли, просачиваться внутрь в токсичных количествах. Одна из гипотез заключается в том, что неправильно сформированные белки могут образовывать новые каналы в клеточных мембранах или, наоборот, открывать ворота существующих каналов, позволяя солям и другим токсичным веществам диффундировать через клеточную мембрану.
"Следующим шагом будет определение структур нашего белка в комплексе с мембранными каналами, чтобы выяснить, как белок может подавлять нормальную функцию каналов, - говорит Фреймут. Это поможет углубить понимание того, как аберрантные белки, индуцированные аминогликозидными антибиотиками, убивают бактериальные клетки, и помочь в разработке новых препаратов, вызывающих те же или подобные эффекты".
