Новые версии бактериального фермента показывают, как можно усилить действие антибиотиков

Современная медицина использует антибиотики для лечения инфекций, воздействуя на мишени внутри бактериальных клеток. Попав внутрь, антибиотики связываются с определёнными участками специфических ферментов-мишеней, останавливая рост бактерий. Случайные изменения (мутации) в генах этих мишеней, возникающие естественным путём, иногда затрудняют связывание антибиотика, делая данную бактериальную версию устойчивой к лечению.

Исследователи десятилетиями изучали устойчивые мутации, надеясь, что связанные с ними механизмы помогут в разработке новых методов преодоления резистентности. Однако усилия были ограничены, поскольку естественные устойчивые мутанты представляют лишь малую часть всех возможных мутаций (полного мутационного пространства), и большинство мутаций в сайте связывания лекарства до сих пор оставались неизученными.

Чтобы решить эту проблему, новое исследование под руководством учёных из NYU Grossman School of Medicine применило технологию MAGE (Multiplex Automated Genome Engineering). С её помощью был создан полный набор мутаций в бактерии Escherichia coli в участке связывания антибиотика рифампицина с важнейшим бактериальным ферментом — РНК-полимеразой (RNAP).

Авторы создали 760 уникальных мутантов RNAP, заменив каждую из 38 аминокислот, составляющих сайт связывания рифампицина у E. coli, на каждую из 20 природных аминокислот. Затем рост этой коллекции мутантов тестировали в различных условиях, включая обработку рифампицином.

Исследование, опубликованное 30 августа в журнале Nature, выявило два мутанта — L521Y и T525D, — которые обладают гиперчувствительностью к рифампицину. Антибиотик не только останавливает рост этих мутантов, но и практически уничтожает их популяции. Это важное открытие, поскольку рифампицин обычно не убивает E. coli и многие другие бактериальные патогены, а лишь останавливает их рост.

«Эта работа предоставляет карту взаимодействий антибиотика с бактериальной RNAP, которая будет полезна химикам, стремящимся усилить эффект, изменяя не аминокислоты сайта связывания у бактерий, а структуру самого рифампицина и других антибиотиков для более прочного связывания и увеличения эффективности», — говорит соавтор исследования Евгений Нудлер.

Как рифампицин убивает бактерии

Мутанты, созданные в новом исследовании, показали, что рифампицин убивает бактерии, останавливая RNAP. Это вызывает столкновения RNAP с клеточными машинериями, работающими в том же молекулярном пространстве для репликации ДНК при делении и размножении клеток. Это, в свою очередь, приводит к летальным разрывам обеих цепей бактериальной ДНК.

Другим открытием стало то, что некоторые мутации в сайте связывания RNAP у E. coli значительно увеличивают скорость, с которой RNAP строит РНК, и, следовательно, скорость расхода сырья, включая нуклеотидные строительные блоки, такие как пиримидины.

Эта работа имеет серьёзные последствия для понимания механизма действия аналогов нуклеотидов, таких как противораковый препарат 5FU. Понимание того, как истощение нуклеотидов повышает чувствительность клеток к их запасам, может помочь в разработке новых комбинированных терапий.

«Эти методы можно применить для картирования сайтов связывания других типов лекарств, особенно тех, что уязвимы к развитию резистентности», — говорит соавтор исследования Авирам Расули.