Недавно разработанные версии бактериальных ферментов показывают, как антибиотики могут быть более эффективными

Исследования, трансляционная медицина, пресс-релизы

30 августа 2023 г.

Фото: ЛАГУНА ДИЗАЙН/Getty

М Современная медицина использует антибиотики для лечения инфекций, отключая мишени внутри бактериальных клеток. Попав внутрь этих клеток, антибиотики связываются с определенными участками определенных ферментов-мишеней, чтобы остановить рост бактерий. Случайные изменения (мутации) в генах этих мишеней происходят естественным путем, в некоторых случаях затрудняя присоединение антибиотика к мишени и делая бактериальную версию устойчивой к лечению.

По этой причине, чем больше антибиотиков будет использоваться с течением времени, тем больше вероятность того, что в бактериальных популяциях появятся мутанты, устойчивые к существующим антибиотикам, и тем более настоятельным будет призыв к новым подходам, чтобы не допустить устаревания методов лечения. Исследователи на протяжении десятилетий изучали устойчивые мутанты в надежде, что связанные с ними механизмы помогут разработать новые методы лечения, позволяющие преодолеть устойчивость. Однако эти усилия были ограничены, поскольку встречающиеся в природе устойчивые мутанты представляют собой небольшую часть возможных мутаций (полное мутационное пространство), при этом большинство мутаций сайта связывания лекарственного средства на сегодняшний день остаются незамеченными.

Чтобы решить эту проблему, в новом исследовании, проведенном исследователями из Медицинской школы Гроссмана Нью-Йоркского университета, была применена технология под названием MAGE (мультиплексная автоматизированная геномная инженерия) для создания полного списка мутаций в бактериальном виде Escherichia coli, где антибиотик рифампицин прикрепляется к важный бактериальный фермент, известный как РНК-полимераза (РНКП). Авторы исследования создали 760 уникальных мутантов РНКП, заменив каждый из 38 аминокислотных строительных блоков, составляющих сайт связывания рифампицина в E. coli, на каждый из 20 вариантов аминокислот, присутствующих в природе. Затем рост этого пула мутантов тестировали в различных условиях, включая обработку рифампицином.

Исследование, опубликованное 30 августа в журнале Nature, выявило два мутанта, L521Y и T525D, гиперчувствительные к рифампицину. Антибиотик не только предотвращает рост этих мутантов, но и практически уничтожает популяции мутантных бактерий. По словам авторов, это замечательное открытие, поскольку рифампицин обычно не убивает кишечную палочку или многие другие бактериальные патогены, а только останавливает их рост.

«Эта работа представляет собой карту взаимодействий антибиотиков и бактериальных РНКП, которая будет полезна химикам, работающим над усилением эффектов исследования путем изменения не остатков сайтов связывания бактерий, а вместо этого структуры рифампицина и других антибиотиков, чтобы они прочнее связывались с другими антибиотиками. повышенная эффективность», — сказал со-старший исследователь исследования Евгений А. Нудлер, доктор философии, профессор биохимии Джули Уилсон Андерсон на кафедре биохимии и молекулярной фармакологии в NYU Langone Health. «Наши результаты также предлагают пути улучшения способности рифампицина связываться с протеобактериями, актинобактериями и фирмикутами, группами бактерий, которые включают естественные мутации РНКП, которые делают их уязвимыми для рифампицина».

E. coli хранит генетические инструкции в цепочках ДНК, но затем преобразует их в родственный генетический материал в РНК, при этом РНКП строит цепи РНК, которые направляют построение белков из аминокислот. Мутанты, созданные в новом исследовании, показали, что рифампицин убивает бактерии, останавливая РНКП и тем самым вызывая столкновения между ним и клеточным механизмом, который работает в том же молекулярном пространстве, чтобы дублировать ДНК по мере деления и размножения клеток. Это, в свою очередь, вызывает летальные разрывы в обеих цепях бактериальной ДНК.

В других выводах исследования было обнаружено, что некоторые мутации сайта связывания РНКП E. coli значительно увеличивают скорость, с которой РНКП строит РНК, и, следовательно, скорость, с которой она использует сырье, включая строительные блоки нуклеотидов, такие как пиримидины. По словам исследователей, эта работа имеет важное значение для понимания механизма действия аналогов нуклеотидов, таких как противораковый препарат 5FU. По их словам, понимание того, как истощение нуклеотидов повышает чувствительность клеток к запасам нуклеотидов, может помочь в разработке новых комбинированных методов лечения.