Как узконаправленный антибиотик атакует C. difficile

Большинство антибиотиков — палка о двух концах. Помимо уничтожения целевого патогена, они также уничтожают полезные бактерии и меняют состав микробиома кишечника. В результате пациенты становятся более восприимчивыми к повторному заражению, а также повышается вероятность появления устойчивых штаммов.

Решение этой проблемы — узконаправленные антибиотики, которые убивают только один или несколько видов бактерий, сводя к минимуму побочный ущерб. В недавнем исследовании ученые из Рокфеллеровского университета детально изучили один такой антибиотик — фидаксомицин, используемый для лечения Clostridium difficile (C. diff), одной из самых распространенных внутрибольничных инфекций. Исследователи показали на молекулярном уровне, как фидаксомицин избирательно поражает C. diff, щадя другие бактерии.

Результаты, подробно описанные в Nature, могут помочь ученым в разработке новых узконаправленных антибиотиков против других патогенов.

Загадочная избирательность

C. diff — это бактерия, вырабатывающая токсины, которая может вызывать воспаление толстой кишки и тяжелую диарею. Ею заражаются около полумиллиона человек в США, в основном в больницах, и примерно каждый одиннадцатый человек старше 65 лет умирает в течение месяца.

Много лет врачи использовали антибиотики широкого спектра для лечения C. diff. Фидаксомицин — относительно новая альтернатива, одобренная FDA в 2011 году.

Как и некоторые другие антибиотики, включая противотуберкулезный рифампицин, фидаксомицин нацелен на фермент РНК-полимеразу (RNAP), которую бактерия использует для транскрипции своей ДНК в РНК. Чтобы понять, почему фидаксомицин избирательно ингибирует RNAP у C. diff, а не у большинства других бактерий, Элизабет Кэмпбелл объединилась с биохимиком Робертом Лэндиком. Они визуализировали RNAP C. diff с помощью криоэлектронной микроскопии — мощной методики, позволяющей увидеть 3D-форму молекул и зафиксировать взаимодействие лекарства с мишенью.

Наблюдение за RNAP

Одной из больших проблем было получение большого количества C. diff — анаэробного микроба, который не растет в присутствии кислорода. Первый автор исследования Синьюнь Цао потратила два года на разработку системы для производства RNAP C. diff с использованием E. coli — легко культивируемой бактерии.

Используя этот материал, соавтор Ханде Боячи получила изображения RNAP C. diff в комплексе с фидаксомицином с почти атомарным разрешением. Фидаксомицин, вклиниваясь в шарнир между двумя субъединицами RNAP, блокирует открытие «клешни» фермента, не давая ему захватить генетический материал и начать процесс транскрипции.

Изучив точки контакта между RNAP и фидаксомицином, исследователи идентифицировали одну аминокислоту в RNAP, которая связывается с фидаксомицином, но отсутствует у основных групп кишечных микробов, не поражаемых антибиотиком. Генетически модифицированная версия C. diff, лишенная этой аминокислоты, не реагировала на фидаксомицин, как и другие комменсальные бактерии. И наоборот, бактерии, которым эту аминокислоту добавили в их RNAP, стали чувствительны к фидаксомицину.

Результаты показывают, что эта одна аминокислота среди 4000 аминокислот этой сложной и жизненно важной транскрипционной машины является ее ахиллесовой пятой, ответственной за гибель бактерии под действием фидаксомицина.

Использованный в исследовании подход предлагает дорожную карту для разработки новых и более безопасных антибиотиков. Дальнейшее изучение структуры RNAP у различных бактерий позволит ученым создавать антибиотики, более избирательно и эффективно нацеленные на каждого патогена.