Неконтролируемый рост и распространение резистентности бактериальных штаммов превратился из отдельных наблюдений в 1940-1960-х годах во всемирный кризис множественной лекарственной резистентности (MDR), со значительным клиническим и финансовым бременем для систем здравоохранения.
Грамотрицательные бактерии особенно прогрессивно развивают резистентность, поэтому для MDR штаммов Enterobacteriaceae, Pseudomonas aeruginosa и Acinetobacter baumannii возможности эффективного лечения ограничены. Полимиксины являются одним из немногих антибиотиков последнего выбора, эффективных против этих патогенов. Они биосинтезируются как вторичные метаболиты грамположительной бактерии Paenibacillus polymyxa и состоят из циклического гептапептида, присоединенного к N-концевому хвосту жирной кислоты через трипептидный экзоциклический линкер.
Полимиксин Е, также известный как колистин, и полимиксин В - два наиболее изученных и используемых варианта. Аминокислоты у полимиксинов совпадают, за исключением гидрофобного остатка в шестом положении и вариабельных цепей жирных кислот, ацетилированных в положении 1. Полимиксины были введены в клиническое применение в 1950-х годах, но впоследствии были заменены другими соединениями из-за нефротоксических и нейротоксических побочных эффектов. Тем не менее, улучшение режима дозирования и рост числа грамотрицательных штаммов с MDR привели к возрождению их клинического применения.
В отношении механизма их действия существует общее мнение, что полимиксины действуют путем взаимодействия с молекулами липополисахаридов (ЛПС). Примечательно, что полимиксины взаимодействуют с ЛПС как во внутренней, так и во внешней мембране (ОМ) бактерий. Первое взаимодействие между поступающим антибиотиком и ЛПС происходит в ОМ. Это взаимодействие приводит к механическому изменению бактериальной ОМ, вызывая выраженные выпуклости на поверхности бактерий и пермеабилизацию ОМ. Затем полимиксины переходят во внутреннюю мембрану (IM), где они снова взаимодействуют с молекулами ЛПС и в конечном итоге оказывают на них летальный эффект.
Тем не менее, механизм взаимодействия между ЛПС и полимиксином остается неясным. В данной работе мы характеризуем взаимодействие полимиксинов с нативными ЛПС-содержащими участками наружной мембраны Escherichia coli с помощью атомно-силовой микроскопии высокого разрешения, а также структурных и биохимических анализов. Мы обнаружили, что полимиксины выстраивают ЛПС в гексагональные агрегаты, образуя кристаллические структуры. Формирование кристаллических структур коррелирует с антибиотической активностью и отсутствует у штаммов, резистентных к полимиксину. Параметры кристаллической решетки изменяются при вариациях молекул ЛПС и полимиксина. Количественные измерения показывают, что кристаллические структуры уменьшают толщину мембраны и увеличивают ее площадь, а также жесткость.
В совокупности эти результаты позволяют предположить, что образование жестких кристаллов ЛПС-полимиксина и последующее разрушение мембраны является механизмом действия полимиксина и служит ориентиром для оптимизации и разработки de novo дизайна ЛПС-мишеней антимикробных препаратов.
