90 лет назад плесень случайно попала на бактериальную культуру в лаборатории Александра Флеминга. Шотландский бактериолог заметил, что плесень вырабатывает вещество, убивающее бактерии в чашке для культивирования клеток. Он открыл пенициллин, один из первых антибиотиков. Сейчас на рынке представлено несколько десятков классов антибиотиков, и ученые продолжают неустанно искать новые антимикробные средства, потому что они остро необходимы медицине. Большая часть этих лекарств являются натуральными продуктами или считаются их источником. И метод обнаружения все тот же, что и во времена Флеминга: если вещество способно убивать бактерии в чашке для культивирования клеток, то это антибиотик.
Стивен Шмитт и его коллеги из ETH профессора Свена Панке из отдела наук и инженерии биосистем в ETH Zurich в Базеле модернизировали и миниатюризировали метод Флеминга, сделав его пригодным для высокопроизводительного скрининга микроорганизмов и веществ, которые они исследуют. производить. «Хотя в настоящее время для тестирования около 10 000 производителей веществ с использованием обычных методов требуется до года, мы можем исследовать миллионы вариантов всего за несколько дней», - говорит Шмитт, который разработал этот метод в рамках своей докторской диссертации. в ETH.
Ученые ETH вместе с голландскими и немецкими коллегами успешно идентифицировали ряд новых антибиотиков-кандидатов с помощью новой технологии. На следующем этапе ученые изучат, подходят ли некоторые из этих молекул для медицинского применения.
«Чай с пузырьками» в поисках активных веществ
Александр Флеминг использовал чашку для культивирования клеток диаметром десять сантиметров, но новая техника, названная nanoFleming, использует крошечные шарики геля всего полмиллиметра в поперечнике, что напоминает чай с пузырьками или икру, имитирующую молекулярную кухню. Внутри этих шариков ученые могут тестировать новые вещества на антибиотическое действие. Для этого они встраивают множество сенсорных бактерий вместе с одним микроорганизмом, который вырабатывает вещество с потенциальным антибиотическим эффектом.
Если производимое вещество обладает антибиотическим эффектом, бактерии сенсора погибают. Если это не действует, они размножаются и образуют скопления клеток. После маркировки сенсорных бактерий флуоресцентным красителем ученые могут использовать метод высокопроизводительной сортировки для выделения слабо флуоресцентных гелевых шариков. Они содержат микроорганизмы, продуцирующие активный антибиотик. Затем ученые могут приступить к идентификации этого вещества.
Более эффективные антибиотики
В своей последней статье, которую ученые недавно опубликовали в журнале Nature Chemical Biology, они протестировали набор из 6000 пептидов (коротких белков) на антибиотический эффект. Эти молекулы аналогичны группе известных пептидных антибиотиков, называемых лантибиотиками. Ученые хотели выяснить, можно ли повысить эффективность лантибиотиков или обойти известные механизмы резистентности путем разумного изменения их молекулярной структуры.
Работая с другими голландскими и немецкими учеными, они начали с известных лантибиотиков и их структурных и функциональных субъединиц. Используя биотехнологический подход, они объединили эти различные субъединицы всеми возможными способами и создали коллекцию микроорганизмов, производящих эти рекомбинантные пептиды. Тестируя их с помощью метода наноФлеминга, команда обнаружила 11 пептидов, которые либо эффективны в меньших дозах, чем обычные лантибиотики, либо способны обходить известные механизмы резистентности.
Поиск веществ в природе
«Метод также отлично подходит для исследования того, производят ли микроорганизмы, встречающиеся в природе, еще не открытые активные вещества», - говорит Шмитт. Он объяснил, что микробы, пытающиеся устранить своих конкурентов с помощью биохимических соединений, являются естественным и широко распространенным механизмом. Поэтому вполне возможно, что новые классы антибиотиков могут быть обнаружены в таких средах обитания, как образцы почвы или микробиом, обнаруженный на коже человека и в слюне, область, которая еще подробно не изучена. Новая технология позволит очень хорошо анализировать микроорганизмы из этих мест обитания. «И поскольку теперь мы можем тестировать намного больше продуцентов активных веществ за гораздо более короткое время, чем это было возможно с помощью предыдущих методов, шансы обнаружить активные вещества из редких микроорганизмов намного выше».
Метод также может быть адаптирован для проверки дополнительных критериев уже во время первого скрининга, таких как стабильность антибиотических веществ в кровотоке человека или предотвращение механизмов резистентности. Кроме того, можно было бы снабдить гелевые шарики различными видами сенсорных бактерий - теми, которые действующее вещество абсолютно должно убивать, например, патогенами, и другими, которым оно определенно не должно причинять вреда, например, полезными бактериями, обнаруженными на здоровой коже или во флоре полости рта.