Преодоление устойчивости к антибиотикам

Устойчивость к антибиотикам — это растущий медицинский кризис, поскольку болезнетворные бактерии развили свойства, позволяющие избегать или преодолевать токсическое действие многих доступных препаратов. Всё больше микробов устойчивы к нескольким лекарствам, что ограничивает возможности врачей в борьбе с инфекциями. В результате ряд заболеваний — включая пневмонию, инфекции кровотока и гонорею — стали опаснее и дороже в лечении, увеличивая расходы на здравоохранение до $20 млрд ежегодно.

Большинство современных препаратов плохо действуют против грамотрицательных бактерий, которые трудно проникнуть из-за двух мембран с клеточной стенкой между ними. Эти бактерии также используют системы защиты: они собирают мембранные белки в сложные структуры, известные как эффлюксные насосы, которые позволяют клеткам выводить лекарства до того, как они подействуют.

Нокаут эффлюксных насосов — перспективная стратегия как для создания новых препаратов, так и для возвращения к жизни старых антибиотиков. Но чтобы нацелиться на эти структуры, необходимо сначала понять, как именно они функционируют.

Роль моделирования

Используя суперкомпьютер Titan (Cray XK7) в Oak Ridge Leadership Computing Facility, физик Джеймс К. Гамбарт и его коллеги смоделировали молекулярную динамику ключевого компонента насосов — адаптерного белка AcrA. Этот белок связывает компоненты насоса на внутренней и внешней мембранах. Работа поддержана выделением 38 миллионов процессорных часов по программе INCITE и использует код NAMD для моделирования больших биомолекулярных систем.

Детали моделирования

Команда использовала новую модель обеих мембран и клеточной стенки грамотрицательной бактерии E. coli в атомарных деталях. В симуляции AcrA был помещён в структуру эффлюксного насоса, включающую белки-партнёры AcrB (из внутренней оболочки) и TolC (из внешней оболочки).

Петамасштабные симуляции (квадриллион вычислений в секунду) создают параллельные версии движений и энергий этих белков и мембран. Используя технику "обмена репликами", исследователи могут сопоставлять свободную энергию системы.

Результаты и перспективы

Комбинации AcrA, AcrB и TolC с наименьшей энергией показывают сценарии и расположения белков, которые с наибольшей вероятностью происходят в бактериальной клетке. Карты свободной энергии должны помочь определить, меняет ли AcrA свою форму до или после взаимодействия с AcrB.

Команда также ищет конформации AcrA, которые мешают сборке насоса. Стабилизация таких конформаций может ингибировать множественную лекарственную эффлюксную устойчивость. Эта информация может направлять разработку новых, точно нацеленных кандидатов в препараты — ингибиторов эффлюксных насосов (EPI). EPI будут предотвращать сборку насоса или блокировать его функцию после сборки.

Такие симуляции также могут тестировать эффекты уже разработанных EPI, предоставляя ценную информацию о том, какие кандидаты могут оказаться наиболее эффективными.

Если стратегия окажется успешной, она может возродить некоторые антибиотики, которые больше не используются, поскольку комбинация их с EPI может восстановить их эффективность.

Лучшее понимание сборки эффлюксных насосов и стратегий их блокировки может быть полезно и для лечения других заболеваний, например, для преодоления лекарственной устойчивости в раковых клетках.