Большинство антибиотиков, используемых сегодня, основаны на природных молекулах, вырабатываемых бактериями, и, учитывая рост устойчивости к антибиотикам, существует острая необходимость в их поиске. Тем не менее, уговорить бактерии производить новые антибиотики - непростая задача. Большинство бактерий не растут в лаборатории. И даже когда они это делают, большинство генов, заставляющих их производить молекулы с антибиотическими свойствами, никогда не включаются.
Однако Исследователи из Университета Рокфеллера нашли способ обойти эти проблемы. Используя вычислительные методы для определения того, какие гены в геноме микроба должны производить соединения антибиотиков, а затем синтезируя сами эти соединения, они смогли открыть два многообещающих новых антибиотика, не культивируя ни одной бактерии.
Команда под руководством Шона Брейди, главы Лаборатории генетически закодированных малых молекул, начала с изучения общедоступных баз данных геномов бактерий, обитающих в организме человека. Затем они использовали специализированное компьютерное программное обеспечение для сканирования сотен этих геномов на наличие кластеров генов, которые, вероятно, продуцируют молекулы, известные как нерибосомные пептиды, составляющие основу многих антибиотиков. Они также использовали программное обеспечение для предсказания химической структуры молекул, которые должны производить кластеры генов.
Раскопки гумимицинов
Программное обеспечение первоначально идентифицировало 57 потенциально полезных кластеров генов, которые исследователи сократили до 30. Затем Брейди и его коллеги использовали метод, называемый твердофазным синтезом пептидов, для производства 25 различных химических соединений.
Испытывая эти соединения против патогенов человека, исследователи успешно идентифицировали два близкородственных антибиотика, которые они назвали гумимицином А и гумимицином В. Оба обнаружены в семействе бактерий под названием Rhodococcus - микробах, которые никогда не давали ничего, напоминающего гумимицины при культивировании с использованием традиционных лабораторных методов.
Гумимицины оказались особенно эффективными против бактерий стафилококков и стрептококков, которые могут вызывать опасные инфекции у людей и имеют тенденцию становиться устойчивыми к различным антибиотикам. Дальнейшие эксперименты показали, что гумимицины действуют путем ингибирования фермента, который бактерии используют для построения своих клеточных стенок, и как только этот путь построения клеточной стенки прерывается, бактерии умирают.
Подобный механизм действия используется бета-лактамами, широким классом обычно назначаемых антибиотиков, эффект которых часто ослабевает по мере того, как бактерии вырабатывают способы сопротивляться им. Тем не менее, ученые обнаружили, что один из гумимицинов можно использовать для повторной чувствительности бактерий к бета-лактамам, которые они ранее перехитрили.
Синергетические эффекты
В одном эксперименте они подвергли устойчивых к бета-лактаму микробов Staphylococcus воздействию гумимицина А в сочетании с бета-лактамным антибиотиком, и микробы снова погибли. Примечательно, что это оставалось верным даже тогда, когда гумимицин А сам по себе имел небольшой эффект - результат, который Брейди приписывает тому факту, что оба соединения работают, прерывая разные этапы одного и того же биологического пути.
«Это как взять шланг и пережать его в двух местах», - говорит он. Даже если ни один из перегибов не остановит поток сам по себе, «в конце концов, вода больше не будет проходить».
Чтобы дополнительно проверить это предположение, Брейди и его коллеги заразили мышей штаммом Staphylococcus aureus, устойчивым к бета-лактамам, микробом, который часто вызывает устойчивые к антибиотикам инфекции у пациентов больниц. Мыши, которых впоследствии лечили смесью, содержащей как гумимицин А, так и бета-лактамный антибиотик, чувствовали себя намного лучше, чем те, которых лечили только одним препаратом или другим, - открытие, которое может указать на новый режим лечения людей, инфицированных резистентными к бета-лактамам С.золотистый.
Брэйди надеется, что это открытие вдохновит ученых на изучение геномов бактерий в поисках большего количества молекул, которые могут дать такие же полезные результаты. И он надеется применить свои методы ко многим видам бактерий, которые находятся за пределами человеческого микробиома и могут таить в себе свои собственные молекулярные сокровища, не говоря уже о еще большем количестве бактерий, чьи геномы еще не секвенированы, но которые, несомненно, будут со временем.