Новый универсальный переключатель для подавления роста бактерий

Исследователи из Лундского университета обнаружили антитоксиновый механизм, способный нейтрализовать сотни различных токсинов и, вероятно, защищающий бактерии от вирусных атак. Механизм назвали Panacea, в честь греческой богини медицины, чьё имя стало синонимом универсального лекарства. Понимание механизмов бактериальных токсинов и антитоксинов будет иметь решающее значение для будущего успеха так называемой фаговой терапии для лечения инфекций с антибиотикорезистентностью. Исследование опубликовано в PNAS.

Токси́н-антитокси́новые системы, своего рода переключатели "включения-выключения" во многих бактериальных геномах, всё чаще рассматриваются как защита бактерий от атак бактериофагов — вирусов, инфицирующих бактерии. Активация токсинов позволяет бактериальной популяции перейти в состояние "локдауна", ограничивающего рост и, следовательно, распространение вируса. Поэтому понимание разнообразия, механизмов и эволюции этих систем критически важно для успеха фаговой терапии.

"Токси́н-антитокси́новые пары состоят из гена, кодирующего токсин, который резко подавляет рост бактерий, и соседнего гена, кодирующего антитоксин, который нейтрализует токсический эффект. Это как держать бутылку с ядом на полке рядом с бутылкой противоядия. Хотя ранее наблюдалось, что такие пары эволюционируют, связываясь с новыми токсинами или антитоксинами, масштаб способности к нейтрализации у Panacea — так называемая гиперпромисску́йность — беспрецедентен", — объясняет исследователь и руководитель группы Джемма Аткинсон.

Аспирант и соавтор Чайян Кумар Саха создал компьютерную программу для анализа типов генов, расположенных рядом друг с другом в бактериальных геномах. Команда использовала этот инструмент для предсказания новых генов антитоксинов, расположенных рядом с некоторыми очень мощными токсинами, над которыми они ранее работали.

Исследователи были поражены, обнаружив, что одна конкретная антитоксиновая белковая структура может встречаться в токсин-антитоксиновых системах вместе с десятками различных типов токсинов. Многие из этих токсинов ранее не были известны науке. Другой соавтор, Татсуаки Курата, экспериментально подтвердил, что несколько таких систем являются подлинными токсинами, нейтрализуемыми соседними генами антитоксинов.

Исследование показывает, что известное на сегодня разнообразие токсин-антитоксиновых систем, вероятно, является лишь верхушкой айсберга, и может существовать целый ряд подобных систем, остававшихся незамеченными.

Помимо важности для понимания биохимии бактерий, открытие новых систем важно для фаговой терапии. По мере роста устойчивости бактерий к антибиотикам требуются новые подходы для борьбы с инфекциями.

Принцип фаговой терапии заключается в лечении пациентов коктейлями бактериофагов, чтобы убить бактерии, вызывающие инфекцию. Однако бактерии несут различные системы защиты, включая токсин-антитоксиновые системы.

"Таким образом, идентификация токсин-антитоксиновых систем патогенов может помочь нам в будущем разработать фаговую терапию, способную преодолеть этот уровень защиты", — поясняет Джемма Аткинсон.

Следующий шаг исследования — поиск новых токсин-антитоксиновых систем в универсальном масштабе и понимание их роли в защите от фагов. Также учёных интересуют возможные биотехнологические применения этих систем, поскольку их можно рассматривать как переключатели ключевых аспектов бактериальной биологии. Полный набор таких систем может стать молекулярным инструментарием для тонкой настройки бактериального метаболизма и контроля ресурсов клетки, что важно в промышленном и фармацевтическом производстве.