Это был бы конец истории, если бы устойчивость к пенициллину и другим антибиотикам в последние десятилетия не превратилась в серьезную угрозу для здоровья человека. Пока ученые продолжают поиск новых антибиотиков, они все еще не очень понимают, как работают старые.Теперь Томас Бернхардт, доцент микробиологии и иммунобиологии Гарвардской медицинской школы, и его коллеги добавили в историю еще одну главу.Их результаты, опубликованные 4 декабря в Cell, показывают, как пенициллин наносит разрушительный удар бактериям, что может привести к новым способам борьбы с лекарственной устойчивостью.
Заглянув за пределы известных мишеней пенициллина в клеточной стенке, он и его команда показали, что эти препараты делают больше, чем просто блокируют сборку клеточной стенки. Пенициллин и его варианты также приводят в действие токсичный сбой в механизме строительства стенок клетки, который обрекает клетку на бесполезный цикл строительства, а затем немедленно разрушает эту стену.
Эта нисходящая спираль смерти истощает ресурсы, необходимые им для выживания.«Кажется, это общая тема для некоторых из лучших антибиотиков, которые у нас есть: они не просто ингибируют фермент, на который нацелены; они фактически преобразуют эту цель, так что любая оставшаяся активность становится токсичной», — сказал Бернхардт. «Я думаю, что это важно для понимания того, как работает препарат, но это также фундаментально учит нас тому, как бактерии строят стену, чтобы мы могли найти в новостях способ, которым мы можем помешать этому процессу».Пенициллин и аналогичные препараты — класс, называемый бета-лактамами — получают из природных антибиотиков, вырабатываемых грибами, которые разработали эффективные способы уничтожения бактерий.
Лекарства мешают бактериям правильно строить свои клеточные стенки.Процесс сборки стенки состоит из двух частей: синтез новых цепочек связанных сахаров и последующее соединение их в расширяющуюся матрицу. Бета-лактамные препараты действуют, блокируя ферменты, которые создают поперечные связи, ослабляя стенку. Стена не может держаться вместе, поэтому бактериальная клетка лопается и умирает.
Эта общая структура борьбы бактерий и пенициллина хорошо известна, но молекулярные детали отсутствовали. Что происходит после блокировки процесса сшивания, что способствует гибели бактериальной клетки?Чтобы выяснить это, Бернхард и Хонгбек Чо, научный сотрудник лаборатории Бернхардта и ведущий автор статьи о клетках, использовали конкретное производное пенициллина, которое нацелено только на один фермент в сборке клеточной стенки. Их уловка заключалась в том, чтобы генетически манипулировать предметом исследования E. coli, чтобы сделать этот фермент незаменимым для жизни клетки.
К своему удивлению, ученые увидели, что нацеливание пенициллина на несущественный фермент по-прежнему убивает клетку. Это открытие было настоящей загадкой. Фермент может быть полностью удален из клеток без вреда для здоровья. Тем не менее, когда он присутствует и связан с лекарством, клетки умирают.
Исследователи обнаружили, что основная причина проблемы заключалась в том, что препарат не только подавлял действие фермента, но и приводил к его неправильной работе, в результате чего его активность становилась токсичной. Они обнаружили, что бактерии по-прежнему создают новые нити клеточной стенки, но из-за того, что связывание было заблокировано, они немедленно деградировали, что создало бесполезный цикл создания и разрушения клеточной стенки.
Это говорит о том, что, хотя в клетке есть много молекулярных машин, строящих стену, лекарствам нужно воздействовать только на некоторые из них, чтобы истощить ресурсы у остальных."Вы подавляете некоторые из механизмов, и, пройдя бесполезный цикл, они истощают клеточные ресурсы, подавляя даже те, на которые еще не нацелено лекарство. простой ингибитор, который блокирует синтез клеточной стенки », — сказал Бернхардт. «Таким образом, вы получите больше отдачи от наркотиков».
Пенициллин мощный, но все же уязвимый для резистентности. Когда клеточные стенки бактерий разрушаются, они борются с ферментами, называемыми бета-лактамазами, которые разрезают молекулы бета-лактама и не дают им прикрепиться к своим мишеням.Увидев, как работают пенициллины, ученые также узнали больше о том, как бактерии включают свои бета-лактамазы, чтобы противостоять пенициллину. Фермент под названием растворимая литическая трансгликозилаза (Slt) подозревался в привлечении бета-лактамаз к борьбе.
Теперь было прямо показано, что он вызывает бесполезный цикл создания и разрушения нового материала клеточной стенки, создавая сигнал тревоги, который бактерия использует для начала производства бета-лактамаз.Более детальное знание того, как Slt привлекает бета-лактамазы, может помочь найти способы блокировать эту форму устойчивости. Бернхардт уже запустил новые химические экраны в скрининговом центре ICCB-Longwood при медицинской школе для поиска новых кандидатов в антибиотики.
«Теперь, когда мы знаем больше о токсичности бета-лактамов, это дает нам возможность искать новые молекулы, которые нацелены на клеточную стенку», — сказал он. «Чем больше мы понимаем, как эти процессы, такие как синтез клеточной стенки, работают у бактерий, тем лучше мы будем в состоянии найти новые способы их нарушения».