Центры по контролю и профилактике заболеваний считают устойчивость к антибиотикам одной из самых неотложных угроз общественному здравоохранению, которая затрагивает сообщества во всем мире. Последствия способности бактерий становиться устойчивыми к антибиотикам можно увидеть в больницах, общественных местах, наших продуктах питания и воде.
В поисках решения исследователи Политехнического института Ренсселера обратились к природе. В статье, недавно опубликованной в журнале Biomacromolecules, команда продемонстрировала, как она может улучшить способность уникальной коллекции антимикробных ферментов природы атаковать бактерии таким образом, чтобы с гораздо меньшей вероятностью вызвать бактериальную резистентность.
«Идея состоит в том, что мы могли бы взять подход природы и просто сделать его лучше», - сказал Джонатан Дордик, профессор химической и биологической инженерии и член Центра биотехнологии и междисциплинарных исследований (CBIS), который руководил этим исследованием в Rensselaer вместе с постдокторантом Домён Кимом и старшим научным сотрудником Сок-Джуном Квоном.
Для того чтобы бактерии могли расти и жить, они естественным образом вырабатывают аутолизиновые ферменты, которые могут разрушать их собственные клеточные стенки, позволяя этим клеткам делиться и размножаться.
Атакуя друг друга, бактерии используют аналогичный процесс, используя антибактериальный белок, известный как бактериоцин, чтобы убить бактерию. Бактерии также могут быть атакованы бактериофагами, которые представляют собой вирусы, заражающие бактерии. Они вырабатывают ферменты эндолизина фагов, которые атакуют бактериальную клетку изнутри. Все три типа ферментов широко известны как клеточные литические ферменты, поскольку они катализируют разрушение клеточной стенки бактерий.
«Бактерии очень трудно стать устойчивыми к действию этих ферментов», - сказал Дордик. «Например, если бы они стали устойчивыми к аутолизину, они бы не делились».
Как строительные блоки, большинство клеточных литических ферментов являются модульными. Они состоят из одного связывающего домена, который прикрепляется к клеточной стенке, и каталитического домена, который проделывает дыры в клеточной стенке, эффективно уничтожая целевые бактерии.
Эти ферменты очень специфичны, сказал Дордик, нацелены на одну или только несколько бактерий. В этой статье исследователи решили выяснить, смогут ли они улучшить комбинации, созданные природой.
"Идея заключалась в следующем: можем ли мы использовать здесь подход, подобный Lego? Можем ли мы взять связывающий домен одного фермента и смешать его со связывающим доменом или каталитическим доменом другого фермента?" - сказал Дордик.
Более конкретно, команда взяла белок стрептавидин, который действует как эффективная матрица, к которой исследователи могли присоединить связывающий домен от одного организма и каталитический домен от другого. Модульный подход позволяет им быстро создавать новые комбинации, чтобы определить, какие из них работают лучше всего.
Они обнаружили, что в борьбе с золотистым стафилококком, широко известным как стафилококк, их комбинации были очень эффективны, иногда даже лучше, чем то, что встречается в природе.
«Мы генетически экспрессировали связывающие домены или каталитические домены из нескольких разных организмов», - сказал Дордик. «Мы определили некоторые из них, которые работали лучше, чем то, что предоставила природа. Так что это открывает совершенно новый способ разработки противомикробных ферментных систем».
«Это исследование может улучшить здоровье человека», - сказал Дипак Вашишт, директор CBIS, исследовательского центра, который объединяет преподавателей различных дисциплин для решения сложных задач. «Это символ инновационных решений, необходимых для улучшения медицинского обслуживания».
Эти результаты закладывают основу для дальнейших исследований и для улучшения создания командой красок или покрытий, которые можно наносить на поверхности для поиска и уничтожения целевых бактерий; контролировать и реконструировать различные микробиомы, встречающиеся в природе; и потенциально для клинического использования, например, для борьбы с кожными и кишечными инфекциями.