Ученые из Института биоорганической химии имени М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН, МФТИ и ВШЭ исследовали взаимодействие известного природного антибиотика с его мишенью с помощью молекулярного моделирования. Эти данные помогут разработать эффективные антибиотики нового типа.
Биофизики выяснили, каким должен быть новый антибиотик / ©cdn-images-1.listennotes.com
Результаты опубликованы в журнале Scientific reports. Злоупотребление антибиотиками приводит к быстрому развитию резистентности (устойчивости) бактерий, что создает угрозу здоровью людей во всем мире. Поэтому поиск и разработка новых классов антибактериальных средств с неиспользуемым сегодня способом действия крайне актуальны. В микробиологии известны небольшие антимикробные белки, называемые лантибиотиками, которые обладают бактерицидным потенциалом.
Низин, наиболее изученный лантибиотик, был обнаружен еще до открытия Александром Флемингом пенициллина. Низин никогда не использовали в клинической практике из-за нестабильности в организме человека. Однако он широко применяется в качестве пищевого консерванта с 1953 года без каких-либо признаков развития резистентности. Низин эффективно борется, в первую очередь, против бактерий с однослойной мембраной.
Есть сведения об активности в сочетании с ионами металлов против нескольких штаммов с двухслойной стенкой. Лантибиотик убивает бактерии путем разрушения мембраны и остановки синтеза клеточной стенки. Он активно взаимодействует со специфической мишенью в мембране клетки — липидом II. Несмотря на известность и активное использование в пищевой промышленности, механизм антимикробного действия низина на атомном уровне остается неизученным.
В своей работе авторы сначала искали комплексообразующие состояния обеих изолированных молекул в их природной среде. Полноразмерный низин и его N-концевой модуль распознавания поместили в водный раствор, а липид II встроили в модельную бактериальную мембрану. Дополнительное моделирование было выполнено для молекул в контрольных средах, в которых ранее проводились эксперименты. Далее ученые провели молекулярное моделирование активной части низина в присутствии аналога «головки» липида II в водном растворе.
«Полученные данные помогли изучить спонтанное образование комплексов и механизм распознавания молекулами друг друга», — поясняет один из авторов, Антон Чугунов, доцент Физтех-школы физики и исследований им. Ландау МФТИ и старший научный сотрудник ИБХ РАН.
После этого авторы разработали вычислительную методику «энергии пирофосфатного фармакофора», которая помогает легко идентифицировать в траекториях молекулярной динамики конформации низина, которые могут образовывать комплекс с липидом II. Наконец, основываясь на наиболее частых конформациях обеих молекул, ученые сконструировали предполагаемый комплекс модуля распознавания низина с липидом II в модельной бактериальной мембране, который оставался стабильным в течение длительного периода моделирования. Оказалось, что низин образует стабильный комплекс с двумя конформациями (состояниями) липида II.
«Наши результаты показывают, какие конформации липида II способны взаимодействовать с антибиотиками. Предыдущие исследования не учитывали липидное окружение, которое значительно влияет на поведение мишени. Наши расчеты показали, что всего 20–30% поверхности головной группы доступно для взаимодействия в природной среде. Это сильно ограничивает свободу выбора положений для связывания с низином. Судя по всему, до всего двух конформаций.
Таким образом, становится понятно, как нужно расположить молекулу антибиотика, чтобы она подействовала так же, как низин, или даже более эффективно. Разработанная нами модель связывания упростит поиск молекул-кандидатов, которые потом можно будет экспериментально исследовать на эффективность против бактерий», — дополняет Роман Ефремов, профессор Физтех-школы физики и исследований им. Ландау МФТИ, заведующий лабораторией моделирования биомолекулярных систем ИБХ РАН.
