Попадая внутрь клеток, антибиотики связываются с определенными участками на специфических ферментах-мишенях, останавливая рост бактерий.
Случайные мутации в генах этих мишеней происходят естественным образом, в некоторых случаях затрудняя присоединение антибиотика к мишени и делая бактериальный вариант резистентным к лечению. По этой причине, чем больше антибиотиков используется в течение длительного времени, тем выше вероятность того, что в популяциях бактерий появятся мутанты, резистентные к существующим антибиотикам, и тем настоятельнее необходимость в новых подходах для предотвращения устаревания методов лечения.
Исследователи уже несколько десятилетий изучают резистентные мутанты в надежде, что связанные с ними механизмы позволят разработать новые методы лечения для преодоления резистентности. Однако эти усилия были ограничены, поскольку встречающиеся в природе резистентные мутанты представляют собой малую часть возможных мутаций (полное мутационное пространство), а большинство мутаций сайтов связывания лекарственных препаратов до сих пор оставались нераспознанными.
Для решения этой проблемы в новом исследовании, проведенном под руководством ученых Медицинской школы Гроссмана Нью-Йоркского университета, была применена технология мультиплексной геномной инженерии MAGE (multiplex automated genome engineering) для создания полного списка мутаций в Escherichia coli, где антибиотик рифампицин присоединяется к важнейшему ферменту бактерий, известному как РНК-полимераза (RNAP), и выводит его из строя. Авторы исследования создали 760 уникальных мутантов RNAP, заменив каждый из 38 аминокислотных строительных блоков, составляющих сайт связывания рифампицина в E. coli, на каждый из 20 вариантов аминокислот, существующих в природе. Затем рост этого пула мутантов был протестирован в различных условиях, включая воздействие рифампицином.
В результате исследования, опубликованного 30 августа в журнале Nature, были обнаружены два мутанта, L521Y и T525D, которые обладают повышенной чувствительностью к рифампицину. Антибиотик не только не позволяет этим мутантам расти, но и практически уничтожает популяции мутантных бактерий. Они обнаружили мутации, которые продлевают связывание антибиотика, превращая рифампицин из бактериостатического в бактерицидный препарат, вызывая летальные разрывы ДНК. Это замечательное открытие, говорят авторы, поскольку рифампицин обычно не убивает E. coli и многие другие бактериальные патогены, а лишь останавливает их рост.
Данная работа позволяет составить карту взаимодействия антибиотика и бактериальной RNAP, которая будет полезна фармакологам, работающим над созданием новых эффектов антибиотиков путем изменения не остатков бактериальных сайтов связывания, а структуры рифампицина и других антибиотиков, чтобы они могли связываться более плотно, повышая тем самым свою эффективность. Полученные результаты позволяют также предположить, как улучшить способность рифампицина связываться с протеобактериями, актинобактериями и фирмикутами - группами бактерий, в которых имеются естественные мутации RNAP, делающие их уязвимыми к рифампицину.
E. coli хранит генетические инструкции в ДНК, но затем преобразует их в родственный генетический материал, в РНК, а RNAP строит цепочки РНК, которые направляют процесс создания белков из аминокислот. Мутанты, созданные в новом исследовании, показали, что рифампицин убивает бактерии, останавливая работу RNAP и вызывая столкновения между ней и клеточными механизмами, которые работают в том же молекулярном пространстве для дублирования ДНК в процессе деления и размножения клеток. Это, в свою очередь, приводит к летальным разрывам в нитях бактериальной ДНК.
Другие результаты исследования заключаются в том, что некоторые мутации сайта связывания RNAP в E. coli значительно увеличивают скорость построения РНК, а значит, и скорость расходования сырья, включая нуклеотидные строительные блоки. По словам исследователей, эта работа имеет большое значение для понимания механизма действия нуклеотидных аналогов, таких как противораковый препарат 5-фторурацил. По их мнению, понимание того, как истощение нуклеотидов повышает чувствительность клеток к нуклеотидным препаратам, может помочь в разработке новых комбинированных методов лечения.
"Эти методы могут быть применены для картирования мест связывания других типов лекарственных препаратов, и особенно тех, в отношении которых развивается резистентность", - отметил соавтор исследования Авирам Расули.
