Крошечный спецназ: как антимикробные ферменты поражают клетки-мишени

У фермента-«охотника» нашли молекулярный «якорь». Без него атака на бактерию заметно слабеет. Открытие может пригодиться в создании нового поколения ферментных антибиотиков.

Дмитрий ПавловАвтор Hi-Tech Mail

Антимикробный фермент Blp получил своеобразную «систему наведения». Исследователи обнаружили в его структуре небольшой участок, который помогает белку сначала закрепиться на клеточной стенке бактерии, а уже затем запустить разрушительную реакцию. Важнейшими элементами этого молекулярного «якоря» оказались два аминокислотных остатка — тирозин в положении 160 и аспарагин в положении 136.

Исследование провели ученые Института биохимии и физиологии микроорганизмов имени Скрябина РАН вместе с коллегами из Сколковского института науки и технологий и Института белка РАН. Результаты работы опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.

Сначала найти врага — потом разрушить ее стенку

Фермент Blp вырабатывает бактерия-паразит перцев Lysobacter capsici. В природе такие молекулы помогают ей конкурировать с другими микроорганизмами за пространство и ресурсы. По сути, Blp можно назвать частью химического арсенала бактерии.

Для исследователей этот фермент особенно интересен по другой причине. Он способен разрушать клеточные стенки грамположительных бактерий, в том числе некоторых потенциально опасных для человека микроорганизмов. Такие ферменты рассматриваются как возможные инструменты для создания новых антимикробных средств на фоне распространения устойчивости к антибиотикам.

Механизм действия Blp на базовом уровне был известен: фермент расщепляет пептидогликан — прочную сетчатую структуру, которая поддерживает форму клеточной стенки многих бактерий. Но оставался важный вопрос: как молекула находит нужную поверхность и удерживается на ней достаточно долго, чтобы начать разрушение? Ответ, как выяснилось, скрывался в отдельном участке белка.

У фермента обнаружили молекулярный «якорь»

Blp представляет собой белок с одним доменом. В нем находится активный центр — участок, непосредственно задействованный в химической реакции. Однако рядом исследователи обнаружили еще одну функциональную область, которая, по-видимому, и отвечает за первичный контакт с клеточной стенкой. Такая организация белка представляет особый интерес. Похожий принцип ранее описывали лишь для одного бактериолитического фермента — псевдоальтерина, обнаруженного у морской бактерии Pseudoalteromonas.

Чтобы разобраться в устройстве Blp, ученые сопоставили пространственные структуры белков и использовали методы молекулярного моделирования. Расчеты указали на возможный участок контакта с бактериальной клеткой. Важную роль в нем, вероятно, играют гидрофобные взаимодействия.

Если объяснять проще, отдельные участки поверхности белка и клеточной стенки стремятся «подойти» друг к другу по своим физико-химическим свойствам. Это напоминает не замок с одним ключом, а скорее точную стыковку двух поверхностей, где множество небольших контактов вместе обеспечивают надежное сцепление.

Что произошло после замены двух аминокислот

Одних компьютерных расчетов было недостаточно, поэтому исследователи проверили предположение экспериментально. Они создали измененные варианты Blp, в которых заменили предполагаемые ключевые аминокислотные остатки. При этом общая пространственная форма белка сохранилась. Это важный момент: ученые не разрушили фермент целиком, а точечно изменили отдельные участки его структуры.

Результат был показательным. После замены тирозина-160 и аспарагина-136 фермент стал хуже связываться с клеточной стенкой Staphylococcus aureus — золотистого стафилококка, способного вызывать различные гнойно-воспалительные инфекции. Одновременно снизилась и способность Blp разрушать клетки бактерии. Так эксперимент подтвердил предположение исследователей: оба аминокислотных остатка действительно участвуют в работе участка, который помогает ферменту закрепиться на мишени.

Говоря иными словами, Blp действует отнюдь не по прямолинейному принципу veni, vidi, vici («пришел, увидел, победил»). Сначала молекула должна правильно распознать поверхность бактерии, зафиксироваться на ней и только после этого эффективно атаковать клеточную стенку.

Почему это важно для борьбы с устойчивыми патогенами

Интерес к бактериолитическим ферментам заметно вырос на фоне глобального распространения устойчивости микроорганизмов к антибиотикам. Всемирная организация здравоохранения рассматривает микробную резистентность как одну из серьезных угроз для современной медицины: инфекции становится сложнее лечить, а привычные процедуры могут сопровождаться большими рисками.

Ферменты вроде Blp действуют не так, как традиционные антибиотики. Они способны непосредственно разрушать структурные компоненты бактериальной клетки. Поэтому ученые рассматривают их как возможную основу для новых подходов к борьбе с патогенными микроорганизмами.

Разумеется, между лабораторным исследованием и готовым лекарством лежит долгий путь. Необходимо проверить безопасность, стабильность, эффективность в различных условиях и множество других характеристик. Однако понимание того, как именно фермент находит и распознает клетку-мишень, может стать важным шагом на этом пути.

В дальнейшем мы продолжим изучать молекулярные основы работы бактериолитических ферментов. Полученные знания будут полезны для направленной настройки ферментов с целью улучшения их антимикробных свойств. Без четкого понимания работы биомолекулы невозможно разрабатывать эффективные антимикробные препараты нового поколения. Разработка перспективных отечественных антимикробных ферментных препаратов — наша основная цель.Ирина Кудряковастарший научный сотрудник лаборатории биохимии клеточной поверхности микроорганизмов ИБФМ РАН, к. б. н.

Интересный факт напоследок

У самой Lysobacter capsici антимикробный арсенал оказался весьма внушительным. В предыдущих исследованиях ученые обнаружили у этой бактерии сразу 12 бактериолитических ферментов. Среди наиболее перспективных кандидатов для дальнейшего изучения называли Blp и амидазу Ami.

Теперь исследователи получили еще одну деталь молекулярного «портрета» Blp. Обнаружение его «якорного» участка открывает возможность в будущем точнее изменять свойства фермента — например, усиливать его способность распознавать определенные бактерии и эффективнее разрушать их клеточные стенки.

Возможно, именно такие молекулярные «настройки» помогут создать новое поколение ферментных антимикробных средств — инструментов, которые смогут дополнить антибиотики в борьбе с бактериями, научившимися противостоять традиционным препаратам.

Недавно стало известно, что в России нашли «киллеров» для лекарственно-резистентных бактерий из группы ESKAPE.

российские ученыеХимияБиологияПоделиться