Ученые освоили «интуитивный» синтез антибиотиков

Антибиотики — природные или полусинтетические вещества, подавляющие рост живых клеток. Часто их действие основано на нерибосомальных пептидах — ферментах, которые производятся самими бактериями и могут синтезировать короткие пептиды без участия матричной РНК (мРНК). Поиск новых нерибосомальных пептидов и, как следствие, создание новых антибиотиков затрудняются тем, что большинство бактерий не культивируется в лабораторных условиях. И даже при успешном культивировании многие их гены, связанные с выработкой нужных веществ, остаются неактивными.

Ученые из Рокфеллеровского университета разработали метод, который позволяет синтезировать новые нерибосомальные пептиды без культивирования бактерий. На первом этапе авторы проанализировали базы данных геномов «человеческих» бактерий и с помощью пакета antiSMASH определили кластеры генов, связанные с выработкой «полезных» ферментов. После предсказания их структуры исследователи выделили 57 кластеров генов и сократили их число до 30. Наконец методом твердофазного пептидного синтеза они получили 25 химических соединений, потенциально способных выполнять функции антибиотиков.

Полученные соединения тестировались на 23 видах патогенов человека, включая некоторые стафилококки (Staphylococcus), кишечную палочку (Escherichia coli) и коринебактерию амиколатум (Corynebacterium amycolatum) — возбудителя сепсиса. На основе чувствительности микроорганизмов к препарату авторы идентифицировали два антибиотика, получившие название хьюмимицин A и хьюмимицин B. Оба соединения оказались продуктом бактерий Rhodococcus erythropolis, которые в норме являются частью микробиоты человека. Традиционные методы не позволяли выделить этот фермент.

Последующий анализ показал, что хьюмимицины наиболее эффективны против стрептококков (Streptococcus) и стафилококков, в том числе метициллинрезистентного золотистого стафилококка (S. aureus). Работа пептида основана на ингибировании ферментов, необходимых микроорганизмам для синтеза клеточных стенок — в результате процесс прерывается и бактерия погибает. Аналогичный механизм используют бета-лактамные антибиотики — широкий круг препаратов, в том числе пенициллиного ряда, которые назначаются при лечении большинства инфекций. Однако к ним устойчивы некоторые патогены.

Эффективность нового антибиотика ученые проверили на культуре бактерий, а затем in vivo — на мышах, инфицированных метициллинрезистентным S. aureus. Несмотря на устойчивость к бета-лактамам, стафилококк оказался чувствителен к сочетанию бета-лактамов с хьюмимицином А (отдельно он развивал незначительные эффекты). По словам исследователей, оба соединения прерывают различные этапы одного молекулярного процесса. Соавтор работы Шон Брэди (Sean Brady) сравнил действие препаратов с «передавливанием шланга сразу в двух местах», что позволяет если не остановить, то сократить скорость протекающих процессов.

Ученые надеются, что предложенный подход поможет в разработке новых антибиотиков, в частности способных остановить самые устойчивые патогены. Метод также может применяться для изучения бактерий, которые не являются частью человеческого микробиота, а в перспективе — и бактерий, геном которых еще не отсеквенирован.