Как глицерин из помощника может стать врагом экспериментаторов

20.02.2023

Новые противотуберкулезные препараты жизненно необходимы в связи с распространением устойчивых штаммов возбудителя этого заболевания. Группа ученых из Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ, Сколтеха и Института биоорганической химии Национальной академии наук Беларуси получила структуры сверхвысокого разрешения цитохрома из возбудителя туберкулеза —  Mycobacterium tuberculosis — в комплексе с ингибитором. Данные, полученные биофизиками, показывают, что глицерин (популярная добавка к белковым растворам) может поставить под угрозу структурно-функциональные исследования и препятствовать разработке лекарств. Работа опубликована в журнале Acta Crystallographica Section D.

Туберкулез остается одним из самых смертоносных заболеваний человека, а количество штаммов, обладающих устойчивостью к существующим лекарственным препаратам, растет каждый год. Необходимость разработки новых средств и методов лечения этой болезни является актуальной задачей для ученых всего мира.

По одной из гипотез, причиной возникновения устойчивости у туберкулезной палочки являются ее цитохромы семейства Р450. Однако функции большинства ферментов этого семейства у патогенной бактерии неизвестны. Подобные цитохромы есть и у человека. Одной из их функций является выведение лекарственных препаратов из организма. Туберкулезная палочка, или Mycobacterium tuberculosis, проникает в наш организм и, как шпион, скрывается от иммунной системы внутри макрофагов. Работа некоторых цитохромов становится для бактерии важнейшим фактором выживания, определяющим, насколько успешно она сможет «прятаться» от иммунной системы.

Понимание того, как работают цитохромы, важно для производителей лекарств. На многих этапах работы с данными белками в лабораториях — от их выделения до структурных исследований — используется глицерин, вещество, повышающее стабильность белка в экспериментальных условиях. Ученые МФТИ, Сколтеха и ИБОХ НАНБ задались вопросом: не влияет ли он на активность фермента?

Валентин Борщевский, заместитель директора Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ, рассказывает: «Ранее нами была решена кристаллографическая структура одного из туберкулезных цитохромов CYP124, связанного с ингибитором CHImi, который служит прототипом для разработки новых противотуберкулезных препаратов. В структуре были обнаружены молекулы глицерина. Чтобы исследовать влияние этой молекулы на фермент, мы установили его структуру в тех же условиях, но без добавления глицерина. Полученная структура сверхвысокого разрешения показала, что лиганд имеет другое пространственное расположение и, более того, несколько конформаций». 

Чтобы проверить влияние глицерина на связывание с лигандами, ученые провели функциональные тесты, основанные на спектрофотометрическом титровании. Цитохромы Р450 содержат гем — простетическую группу с железом, из-за чего приобретают красную окраску и имеют характерный спектр поглощения в районе ~450 нм (откуда и название Р450). При связывании с молекулой-мишенью спектр поглощения меняется, что может быть зафиксировано с помощью спектрофотометра. Определяя, каким именно образом изменение спектра зависит от концентрации молекул-мишеней, можно рассчитать константу диссоциации — физико-химическую величину, показывающую, насколько специфично связываются исследуемые молекулы. В данной работе было показано, что добавление глицерина ухудшает связывание на порядок!

Наталья Струшкевич, старший преподаватель Центра молекулярной и клеточной биологии Сколтеха, поясняет: «Нам повезло получить качественные кристаллы для подобного атомного анализа, а также подтвердить, что и в растворе глицерин влияет на способность цитохромов связывать ингибиторы, что может представлять проблему при разработке новых лекарственных препаратов».

Исследование показало, что глицерин, активно использующийся во всех биофизических структурных исследованиях, непосредственно влияет на полученные результаты экспериментов, что может искажать трактовку результатов и вводить исследователей в заблуждение. Особенно это чревато при разработке новых лекарственных препаратов. Необходимо учитывать влияние вспомогательных факторов, таких как глицерин, на объект исследования и грамотно планировать эксперименты.