Устойчивость к антибиотикам представляет собой серьезную угрозу для здоровья: по данным Центров по контролю и профилактике заболеваний (CDC), около двух миллионов человек в США ежегодно заражаются устойчивыми к антибиотикам инфекциями. Грамотрицательные бактерии, в том числе такие виды, как E.coli и Salmonella, часто труднее убить из-за их двусторонней защиты - у них две мембраны, а не одна, а также многочисленные насосы для токсинов, встроенные в мембраны, чтобы вытеснить любой антибиотик, который может и успел. Теперь исследователи из Джефферсона открыли, как можно воздействовать на обе эти защиты одним ударом, что может помочь сделать антибиотики более эффективными.
«Мы показали, что вмешательство в молекулу транспортной РНК (тРНК) способом, уникальным для бактерий, наносит вред способности бактериальной клетки вырабатывать мембранные белки, необходимые для лекарственного барьера и активности оттока», - говорит старший автор. Я-Минг Хоу, доктор философии, профессор биохимии Медицинского колледжа Сиднея Киммела в Джефферсоне (Филадельфийский университет + Университет Томаса Джефферсона). Работа опубликована в журнале Cell Systems.
Молекулы тРНК не являются типичной мишенью для антибиотиков. Эти молекулы являются частью механизма построения белка, необходимого для ежедневного функционирования клеток каждого живого существа. Однако команда доктора Хоу исследовала своего рода химический процесс «декорации» в бактериальных тРНК, отсутствующий в клетках человека. Эта разница между бактериями и людьми делает этот процесс лучшей мишенью для лекарств, поскольку он с меньшей вероятностью влияет на клетки человека.
тРНК украшены химическими группами, которые добавляются после синтеза тРНК в клетке. Группа доктора Хоу исследовала одно из таких украшений - добавление метильной группы в одном конкретном месте на позвоночнике нескольких тРНК. В более ранней работе лаборатория доктора Хоу показала, что когда эти тРНК были лишены этого единственного метилирования, они с большей вероятностью создавали ошибки в построении белка. Но не только любой белок, дефицитные тРНК были особенно склонны к ошибкам при построении белков, которые находятся внутри клеточной мембраны.
Этот результат навел доктора Хоу на мысль, что, возможно, дефект метилирования тРНК может повлиять не только на бактериальный насос токсинов, но и на множество других типов белков, которые помогают поддерживать стабильность и целостность мембраны.
В этой статье, вместе с первым автором постдокторским научным сотрудником Исао Масуда и другими, доктор Хоу проверил, могут ли эти дефектные тРНК сделать бактерии более восприимчивыми к антибиотикам, создав бактерии, которые генетически неполноценны в создании декоративной метильной группы..
Проведя элегантную серию экспериментов, Dr. Команда Хоу показала, что мембраны этих бактерий были менее связными и более проницаемыми, чем обычно. Бактерии с дефектными тРНК были менее эффективны в откачивании химических веществ по сравнению с нормальными бактериями, что позволяет предположить, что их насосы для токсинов были затронуты. Наконец, команда показала, что когда бактерии с дефектными тРНК подвергались воздействию различных антибиотиков, они умирали быстрее, а также были менее склонны к развитию лекарственной устойчивости..
«Скорость уничтожения важна для антибиотиков», - говорит доктор Хоу. «Чем дольше бактерии умирают от антибиотиков, тем выше вероятность того, что у них разовьется резистентность».
Хотя фармацевтические компании, такие как AstraZeneca и GSK, открыли соединения, которые могут ингибировать фермент, вызывающий критическое метилирование тРНК, прогресс застопорился. Основная причина заключается в том, что ингибиторы не могут проникать через структуру бактериальной мембраны, что резонирует с серьезной проблемой, стоящей перед всей областью открытия антибиотиков.
Доктор. Хоу признает вызов. «Во-первых, нам нужно сформулировать ингибиторы таким образом, чтобы они могли более эффективно проникать в клетку», - говорит доктор Хоу. «Затем можно объединить эти ингибиторы с традиционными антибиотиками, чтобы быстрее убить бактерии и снизить вероятность устойчивости к антибиотикам».
На данный момент нет лекарств, которые могли бы эффективно воздействовать на этот путь. Лаборатория доктора Хоу в настоящее время работает над созданием лучших ингибиторов.
Исследование финансировалось за счет грантов Национальных институтов здравоохранения США (GM108972, GM114343 и GM080279) и Национального научного фонда (DMR-1120901 и MCB-1149328), Центра открытий Аллена в Стэнфорде по системному моделированию Инфекция (для KCH), Канадские институты исследований в области здравоохранения (CIHR MOP-77688), постдокторская стипендия JSPS и Биохаб Чана Цукерберга.