Механизмы действия антибиотиков

В рамках совместного проекта ПостНауки и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого мы публикуем текст кандидата физико-математических наук Андрея Коневеги, посвященный исследованиям аппарата биосинтеза белка и разработке новых классов антибиотиков.

Антибиотики – это небольшие молекулы природного, полусинтетического или синтетического происхождения, которые подавляют рост бактерий. Массовое производство и применение антибиотиков началось во время Второй мировой войны, в 1943 году. 

Большинство известных антибиотиков продуцируется грибами или бактериями, которые сами обладают устойчивостью к антибиотику и обеспечивают себе конкурентное преимущество по отношению к другим бактериям. Открытие антибиотиков стало революцией в медицине и обеспечило человечеству несколько десятилетий относительно безопасного существования.

Механизмы действия антибиотиков

Определенные типы антибиотиков действуют как ингибиторы аппарата биосинтеза белка и центральной его части – рибосомы. Рибосома – это своеобразная фабрика, большая молекулярная машина массой более 2,5 мегадальтон и диаметром около 200 ангстрем, на которой собираются белки в клетках всех живых организмов. Рибосомы изучают с 1950-х годов, однако на сегодняшний день это поле исследований переживает новое рождение. Интерес к изучению аппарата биосинтеза белка прокариотических (бактериальных) клеток обусловлен тем, что именно бактериальные рибосомы являются мишенью для многих типов антибиотиков, которые используются в терапии.

Антибиотики связываются с рибосомой и ингибируют, то есть замедляют или предотвращают отдельные реакции, которые катализируются рибосомой. Они могут конкурировать с сайтом связывания для естественного лиганда или блокировать определенную конформацию рибосомы. Отдельные структурные элементы рибосомы обладают конформационной подвижностью, которая позволяет ей взаимодействовать с нативными субстратами и обеспечивать сложный процесс биосинтеза белка. Но отдельные антибиотики могут ингибировать те или иные реакции. За счет этого синтез белка останавливается или начинает происходить с ошибками. В результате продуцируются неправильные белки, и это ведет к гибели бактериальной клетки.

Ученым удалось далеко продвинуться в исследованиях биосинтеза белка именно потому, что на данный момент известно большое количество ингибиторов. Ингибируя отдельные реакции, можно получать новую информацию о молекулярном механизме действия рибосом. С другой стороны, можно выяснить молекулярный механизм ингибирования. Для некоторых антибиотиков, например, предложен молекулярный механизм, который исследовался in vitro. Этот механизм оказывал ингибирующее влияние при концентрациях, на несколько порядков превышающих реально используемые в терапии. В результате экспериментов удалось обнаружить еще одну реакцию, которую и ингибирует антибиотик в низких концентрациях. Если у нас есть множество стадий, понятно, что на одну из них антибиотик действует. Но поскольку все реакции проверить сложно, трудно обнаружить, где именно антибиотик оказывает свое губительное действие. Проверка всех реакций требует значительного времени и ресурсов на исследования. Есть несколько уровней, на которых можно исследовать действия антибиотиков. Самый простой – вырастить бактериальные клетки, добавить в них антибиотик и посмотреть, как эти клетки умерли. Но при таком подходе остается неизвестным, как это произошло.

Аппарат биосинтеза белка

Есть целый ряд подходов, позволяющих разделить процессы, которые были затронуты в клетке. Как правило, это процессы, связанные с репликацией ДНК, транскрипцией или трансляцией. Если выясняется, что это процессы, связанные с трансляцией, то можно задействовать тот арсенал методов, которые уже разработаны, – методы in vitro, когда мы используем очищенные компоненты белоксинтезирующей системы, то есть рибосомы, транспортные РНК, белковые элонгационные факторы. В этом случае в систему добавляются только известные компоненты, и мы знаем точно, что происходит в такой системе. И тогда мы можем добавить ингибитор и проанализировать реакцию, которую он затрагивает.

Спектр методов довольно широк. Недавний бум исследований в области биосинтеза белка случился в 2000-х годах, когда появились первые полные пространственные структуры рибосом, которые были получены методом рентгеновской кристаллографии. За эти исследования в 2009 году была присуждена Нобелевская премия по химии. В этот момент исследователи поделились на два лагеря. Одна группа считала, что невыясненных вопросов не осталось и можно сворачивать свои исследования и начинать заниматься чем-то другим. А другая группа ученых считала, что все только начинается, потому что неясен молекулярный механизм. До получения пространственных структур функциональные исследования напоминали изучение черного ящика. Мы брали рибосому, добавляли в нее субстраты, матричную РНК (носитель информации), транспортную РНК, а на выходе получали полипептид. Что происходило в середине этого процесса – непонятно. С появлением структурной информации ученые впервые получили возможность делать эксперименты более направленно. Теперь мы знаем, где какой белок расположен, где какой нуклеотид. Значит, мы можем предположить, как действует тот или иной функциональный центр, сделать направленный мутагенез и проверить, как это будет влиять на определенные реакции.

Немедленно после возникновения первых пространственных структур появились структуры, в которых рибосома была в комплексе с антибиотиками. И тогда родилось первое понимание того, где этот антибиотик связан, в каком центре, на что он может влиять. Тогда эти биохимические, биофизические исследования обрели новую жизнь. Структурные методы, которые развивались, оказали колоссальное влияние на изучение рибосом. Позже появились методы криоэлектронной микроскопии, которые теперь также позволяют получать пространственную структуру таких больших, макромолекулярных комплексов с очень высоким разрешением – порядка 2,5–3 ангстрем. Методы криоэлектронной микроскопии постепенно вытесняют кристаллографию, по ряду параметров они ее уже превзошли. Теперь мы можем собрать функциональный комплекс, посмотреть, в каком месте связан антибиотик, и сделать предположения о его молекулярном механизме действия. Важно, что сейчас получение структурной информации занимает дни и недели, а не годы, как это было раньше. Это, безусловно, колоссальный научный и технологический прогресс.

Устойчивость бактерий к антибиотикам

Согласно опубликованному в 2014 году отчету Всемирной организации здравоохранения, около 23 000 смертей в Соединенных Штатах (и около 25 000 в Европейском союзе) ежегодно связаны с инфекциями, вызываемыми бактериальными штаммами, обладающими устойчивостью к антибиотикам. Инфекции наносят значительный экономический ущерб (прямой и косвенный), исчисляющийся миллиардами долларов.

Первые антибиотики в клинике были применены в 40-х годах прошлого столетия. Позже появлялись новые классы антибиотиков, и спустя несколько лет обнаруживались бактериальные штаммы, устойчивые к антибиотику.

Эта устойчивость имеет ряд причин. Во-первых, бактерии способны мутировать. Мутации возникают в рибосомальной РНК или в каком-то белковом факторе и меняют свойства этого лиганда. При этом ингибитор, то есть антибиотик, который связывается в данном или соседнем месте, просто перестает оказывать такое существенное влияние. После этого мутантный штамм получает конкурентное преимущество и начинает размножаться.

Бактерии, как эволюционно древние организмы, научились приспосабливаться к сложным условиям обитания. У них есть эффективные методы выработки устойчивости к антибактериальным агентам, к антибиотикам, поэтому, как только антибиотик появляется в терапии, через какое-то время мы должны ожидать, что появится устойчивый штамм и эти антибиотики перестанут действовать.

С момента начала широкого применения тетрациклина и до появления первых достоверно устойчивых к нему штаммов прошло около 9 лет. А для метициллина от начала применения до обнаружения устойчивых штаммов прошло всего 2 года. В новейшей истории для некоторых антибиотиков задокументировано появление устойчивых штаммов на следующий год после начала их применения. Окончательную точку в этой борьбе поставить практически невозможно. Единственное, что можно сделать, – обратить серьезное внимание на разработку новых классов антибиотиков, чтобы постоянно пополнять арсенал и разрабатывать новые препараты.

Разработка новых антибиотиков

Большинство антибиотиков, которые сейчас применяются в терапии, – это либо природные вещества, либо некие производные природных веществ. И только единицы антибиотиков – это полностью синтетические, придуманные химиками вещества.

Есть несколько подходов к разработке новых антибиотиков. В основном новые ингибиторы стараются найти скринингом тех веществ, которые производят микроорганизмы – либо бактерии, либо грибы. Поскольку вероятность того, что такие вещества синтезируются, велика, можно просто перебрать те вещества, которые выделяются бактериями или грибами. Большинство известных сегодня антибиотиков обнаружены именно таким способом. Альтернативный способ – это рациональный дизайн, то есть использование данных о структуре рибосомы, структуре активного центра и попытка придумать такую молекулу, которая будет взаимодействовать с тем или иным функциональным центром и ингибировать реакции. Кроме того, можно комбинировать оба подхода.

Об авторе:
Андрей Коневега – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НИК «Нанобиотехнологии» СПбПУ Петра Великого

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
 26.04.2016