Визуализация помогает улучшить антибиотики

Исследователи из Университетов Данди и Оксфорда совершили значительный прорыв в понимании того, как можно преодолеть устойчивость к антибиотикам. Они впервые получили трёхмерное молекулярное изображение ключевой мишени для лекарств и показали, как препараты связываются с ней.

Профессор Уильям Хантер из Колледжа наук о жизни в Данди координирует финансируемый ЕС проект Aeropath, цель которого — продвинуть ранние этапы разработки лекарств против Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa). Эта распространённая бактерия может вызывать серьёзные заболевания у животных и людей.

В сотрудничестве с коллегами из Отдела структурной биологии Оксфорда и Оксфордского центра производства белков (OPPF) команда смогла определить точную химическую структуру пенициллин-связывающего белка PBP3 из Pseudomonas aeruginosa, используя передовые установки синхротрона Diamond Light Source в Оксфордшире.

Эта бактерия особенно проблематична, поскольку выработала устойчивость ко многим распространённым антибиотикам и является важным патогеном для пациентов с ожогами, иммунокомпрометированных пациентов (например, из-за химиотерапии) и пациентов с муковисцидозом.

Исследование стало возможным благодаря использованию синхротрона. В нём находится большое кольцеобразное вакуумное устройство, по размеру сравнимое со стадионом «Хэмпден Парк», в котором электроны разгоняются почти до скорости света. Специальные магниты заставляют их испускать очень интенсивные рентгеновские лучи. Эти лучи использовались для исследования крошечных кристаллов PBP3 методами дифракции, что позволило определить 3D-структуру белка.

Знание 3D-структуры антибиотика, связанного с белком-мишенью, проясняет молекулярный механизм — показывает, как работает препарат и как его можно модифицировать, например, для преодоления устойчивости. Полученные структуры предполагают, что может существовать возможность разработать новые препараты, которые будут работать в комбинации с существующими ингибиторами PBP, чтобы сделать их более эффективными и способными преодолеть резистентность.

Исследование опубликовано в последнем выпуске Journal of Molecular Biology. Теперь, когда команда Данди/Оксфорда установила точную химическую структуру белка, исследователи в этих и других учреждениях смогут попытаться разработать новые ингибиторы и методы терапии.

По словам профессора Хантера, использование синхротрона Diamond позволило команде эффективно определить 3D-структуру пенициллин-связывающего белка PBP3, и это может оказать значительное влияние на будущую разработку антибиотиков.

«Обладание этой точной 3D-картиной фермента и знание того, где связываются эти молекулы, называемые ингибиторами, критически важно, — сказал он. — Это даёт нам чёткое понимание молекулярных взаимодействий, участвующих в ингибировании этой лекарственной мишени. Без этой информации мы бы пытались охарактеризовать взаимодействия другими, менее точными методами. В таких обстоятельствах вы, по сути, работаете вслепую».

Цель работы — помочь углубить понимание потенциально новых мишеней для разработки терапий против грамотрицательных инфекций. Pseudomonas aeruginosa вызывает много проблем у людей с ослабленной иммунной системой (из-за трансплантации, химиотерапии, ВИЧ/СПИДа, ожогов), а также у молодых людей с муковисцидозом.

Команда использовала установки для белковой кристаллографии Diamond Light Source, чтобы определить три структуры: белка в нативной форме; и белка, связанного с двумя важными антибиотиками — карбенициллином и цефтазидимом.

Общей чертой, наблюдаемой в кристаллических структурах PBP, является гибкость активных центров. Это свойство играет ключевую роль в способности бактерий развивать устойчивость к препаратам; механизм резистентности работает путём мутации белка. Для связывания препарата белок изгибается в сторону ингибитора. Конформационное изменение, вносимое ингибитором, открывает небольшой карман внутри активного центра.

На основе своих 3D-структур группа может охарактеризовать эти карманы с целью нацеливания на них нового типа ингибитора, который ограничивает «дыхание» активного центра, то есть ограничивает гибкость белка. Этот новый ингибитор можно использовать в сочетании с существующими антибиотиками для борьбы с лекарственной устойчивостью.

В целом, результаты работы группы позволят обсуждать различные подходы к ингибированию PBP и потенциально приведут к новым способам борьбы с P. aeruginosa и родственными бактериями, вызывающими респираторные заболевания и кожные инфекции, желудочно-кишечные и заболевания, передающиеся половым путём.