Устойчивость к антибиотикам бактерии Staphylococcus aureus является причиной 11 300 смертей в год только в Соединенных Штатах - цифра, которая соответствует половине всех смертей, вызванных грамположительными устойчивыми бактериями в этой стране. Такая высокая смертность связана со скоростью, с которой бактерия приобретает устойчивость к антибиотикам. Исследование, проведенное в Институте исследований в области биомедицины (IRB Barcelona) в сотрудничестве с Centro de Investigaciones Biológicas (CIB-CSIC) в Мадриде, определило ключевой компонент механизма, который S.aureus использует для приобретения и переноса генов, придающих устойчивость к антибиотикам. Работа была опубликована на этой неделе в Proceedings of the National Academic of Sciences (PNAS).
«Борьба с бактериями, особенно в больницах, где они представляют серьезную угрозу, подразумевает понимание того, как передаются гены для адаптации к меняющейся среде. Например, когда их лечат новыми антибиотиками», - объясняет исследователь. руководитель исследования и руководитель группы IRB Barcelona Микель Колл, также исследователь CSIC, изучающий горизонтальный перенос генов с точки зрения структурной биологии.
Остановка распространения
«Горизонтальный перенос генов наделяет бактерии необычайной способностью быстро развиваться и адаптироваться - способностью, которой, например, не обладают люди», - говорит Колл. Один из этих путей называется конъюгацией. Это процесс, при котором две бактерии соединяются, и одна из них передает фрагмент ДНК, называемый плазмидой, другой.«Плазмида - это небольшой фрагмент кольцевой ДНК, который содержит очень мало генов, часто включая гены устойчивости к антибиотикам, и для передачи между бактериями требуется всего несколько минут», - объясняет он..
Горизонтальный перенос генов включает механизм, в котором релаксаза, ферментативный белок, является ключевым компонентом. Благодаря трехмерному разрешению структуры комплекса, образованного релаксазой с фрагментом плазмидной ДНК, исследователи определили, что аминокислота гистидин является ключевым элементом в процессинге ДНК и, следовательно, в передаче и распространении резистентности..
«Мы обнаружили, что релаксаза различных штаммов S. aureus различается, потому что она использует аминокислоту, которая не используется ни одной другой известной нам релаксазой», - объясняет первый автор исследования. Радослав Плута, бывший аспирант La Caixa в IRB Barcelona, а в настоящее время научный сотрудник Международного института молекулярной и клеточной биологии в Варшаве, Польша.
Гистидин - это каталитический остаток, который позволяет релаксазе разрезать ДНК, связываться с ней, растягивать одну из двух цепей и доставлять ее в рецепторную бактерию, где цепочка реплицируется, снова образуя двойную цепочку плазмиды.. Эта новая плазмида теперь содержит гены устойчивости и механизмы для их переноса в другую бактерию. Ученые указывают, что этот каталитический гистидин присутствует в релактазах 85% штаммов Staphylococcus aureus.
Чтобы проверить, играет ли гистидин решающую роль в горизонтальном переносе генов, исследователи из группы Мануэля Эспинозы из CIB-CSIC, участвовавшие в исследовании, заменили его другой аминокислотой и подтвердили, что он предотвращает перенос в культуральных чашках..
Мутация гистидина не убивает эту бактерию, а предотвращает перенос гена. Как можно использовать этот механизм для борьбы с инфекциями? «Я не знаю, - говорит Колл, - но теперь мы знаем больше о смертельной бактерии, и это может проложить путь к разработке молекул для предотвращения распространения устойчивых штаммов."
Колл объясняет, что с больничными инфекциями труднее всего бороться. «Мы участвуем в гонке, в которой всегда проигрываем, потому что, когда появляется новый антибиотик, быстро возникает и распространяется резистентность», - описывает он. Ученый добавляет, что список антибиотиков для использования в больницах «слишком» короток. Помимо трудностей, связанных с разработкой новых антибиотиков, Колл также отмечает еще одно препятствие, мешающее продвижению вперед. «Инвестиций мало, потому что у фармацевтической промышленности другие приоритеты. Хотя это совершенно справедливо, ресурсы государственного и частного секторов должны быть объединены».
Эта работа проводилась в сотрудничестве с группой Модесто Ороско, также работавшей в IRB в Барселоне, которая провела теоретические исследования для подтверждения химической реакции между плазмидной ДНК и белком через гистидин. Структурное разрешение комплекса, образованного белком и ДНК, достигнуто с использованием данных, полученных методом рентгеновской дифракции на Европейском синхротроне в Гренобле.