Физики из Университета Макмастера впервые определили простой механизм, используемый потенциально смертельными бактериями для защиты от антибиотиков, и это открытие дает новое понимание того, как микробы адаптируются и ведут себя с невиданным ранее уровнем детализации.
Выводы, опубликованные сегодня в журнале Nature Communications Biology, могут иметь значение в глобальной борьбе с устойчивостью к антибиотикам, позволяя разрабатывать более эффективные и эффективные лекарства для борьбы с инфекцией.
"Существует много-много бактерий и так много антибиотиков, но, предложив базовую модель, которая применима ко многим из них, мы можем лучше понять, как бороться с резистентностью и прогнозировать ее лучше", - говорит Майкел Райнштадтер, профессор кафедры физики и астрономии Университета Макмастера и ведущий автор исследования.
Исследователи изучили, как мембраны бактерий взаимодействуют с антибиотиком полимиксином B (PmB), который обычно используется для лечения инфекций мочевыводящих путей, менингита, инфекций крови и глаз.
Они сосредоточились на PmB, потому что когда-то он считался самым сильным лекарством в своем роде, последней линией защиты для врачей, когда ничто другое не помогало. Этот отказоустойчивый статус был поставлен под сомнение в 2016 году, когда китайские ученые обнаружили ген, позволяющий бактериям становиться устойчивыми даже к полимиксинам.
«Мы хотели выяснить, как эти бактерии, в частности, останавливали действие препарата в данном конкретном случае», - говорит Адри Хондкер, студентка бакалавриата медицинских наук и первый автор исследования.«Если мы сможем понять это, мы сможем разработать лучшие антибиотики».
Используя методы, обычно используемые физиками для исследования материалов, команда использовала узкоспециализированное оборудование, чтобы заглянуть глубоко в бактериальную мембрану, получая изображения с таким высоким разрешением, что они могли видеть отдельные молекулы примерно с 1/1, 000, 000. ширина пряди человеческого волоса.
"Если вы возьмете бактериальную клетку и добавите это лекарство, в стенке образуются отверстия, действующие как дырокол и убивающие клетку. Но было много споров о том, как эти отверстия образовались в первые место." объясняет Хондкер.
Когда эти антибиотики работают должным образом, исследователи знают, что применяются основные законы физики: поскольку лекарство заряжено положительно, оно притягивается к отрицательно заряженным бактериям. В то же время бактериальная мембрана использует силу отталкивания, пытаясь оттолкнуть лекарство.
С помощью изображений и моделирования исследователи точно определили, какая часть антибиотика входит в мембрану, где она входит и как глубоко она проникает. Они смоделировали эти процессы в микросекундном масштабе на высокопроизводительных игровых компьютерах в своей лаборатории.
Они определили, что когда бактерия становится резистентной, ее мембрана становится более жесткой, а заряд слабее, что делает ее гораздо менее привлекательной для препарата и более трудной для проникновения. «Для наркотика это все равно, что перейти от резки желе к прорези скалы». Хондкер говорит.
«Об этом механизме было много спекуляций, - говорит Райнштадтер. «Но впервые мы можем доказать, что мембрана более жесткая и процесс замедляется».
Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) считает проблему устойчивости к антибактериальным препаратам главной глобальной угрозой для общественного здравоохранения, угрожающей нашей способности лечить распространенные инфекционные заболевания, что приводит к длительной болезни, инвалидности и смерти. По оценкам, 70 000 человек во всем мире ежегодно умирают от устойчивых к лекарствам штаммов бактериальных инфекций, ВИЧ/СПИДа, туберкулеза и малярии.
Эксперты предупредили, что к 2050 году число смертей во всем мире вырастет до 10 миллионов в год.
Работа финансировалась Канадским институтом исследований в области здравоохранения (CIHR), Канадским советом по естественным наукам и инженерным исследованиям (NSERC) и Канадским фондом инноваций (CFI).