Ферменты-«ножницы». Найден способ повысить эффективность противогрибковых препаратов до 5000 раз

Ученые выяснили, что увеличить эффективность противомикробных пептидов — соединений, используемых для борьбы с грибковыми инфекциями, — можно в 5000 раз, если использовать их совместно с ферментами лактоназами. Лактоназы разрушают молекулы, с помощью которых грибные клетки коммуницируют и приобретают устойчивость к лекарствам. Благодаря такому эффекту предложенные авторами комбинированные препараты не вызывают у микроорганизмов устойчивость, а потому оказываются гораздо более действенными.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале International Journal of Biological Macromolecules.

За последние 14 лет количество смертей на планете, связанных с грибковыми инфекциями, возросло почти вдвое и достигло 3,8 миллионов в год. Широкая распространенность и высокая летальность грибковых заболеваний связана с тем, что патогены приобретают устойчивость к существующим противогрибковым препаратам, что снижает эффективность борьбы с инфекциями. В частности, эта устойчивость связана с так называемым чувством кворума — способностью микроорганизмов «сообща» выделять вещества, изменяющие их биохимический состав и повышающие общее противостояние клеток противогрибковым средствам.

Чтобы создать «кворум», грибки обмениваются сигнальными молекулами (подобно тому, как люди общаются словами и договариваются о синхронных действиях). Многие из таких молекул — это производные лактонов, небольших по размеру органических веществ. Поэтому, чтобы избежать развития устойчивости у грибков, можно нарушить их «коммуникацию» — разрезать лактоны с помощью ферментов лактоназ.

Ученые из МГУ имени М.В. Ломоносова создали комбинированные противогрибковые препараты на основе лактоназ и антимикробных пептидов, использующихся в медицине и сельском хозяйстве для борьбы с грибками. Лактоназы должны усилить действие пептидов, поскольку у патогенов сохранится к ним чувствительность при нарушении защитного взаимодействия между клетками.

Чтобы определить, какие комбинации антимикробных пептидов и лактоназ наиболее эффективны в отношении грибков, авторы с помощью компьютерного моделирования проверили взаимодействие 24 различных пептидов с тремя лактоназами — AiiA, His₆-OPH и NDM-1. Такой подход позволил оценить, как меняются свойства обеих молекул при взаимодействии. Оказалось, что большинство пептидов подавляют активность лактоназ, но в наименьшей степени этот эффект был выражен при использовании бацитрацина, колистина и полимиксина. Поэтому их выбрали для дальнейших экспериментов с культурами грибков.

Культура грибов, использованных в исследовании. Источник: Елена Ефременко.

Авторы нанесли комбинированные препараты на клетки Rhizopus oryzae (представитель рода, вызывающего мукормикоз — некротическое поражение тканей), Aspergillus niger (приводит к целой группе разных заболеваний, объединяемых под названием аспергиллезы), Trichoderma atroviride (безопасен для человека), Fusarium solani (патоген растений, способный вызывать воспаления в человеческом организме), Candida tropicalis (вызывает молочницу) и Saccharomyces cerevisiae (безопасные для людей пекарские дрожжи).

Несмотря на то, что все три исследованных антимикробных пептида широко используются в медицине и сельском хозяйстве, сами по себе они практически не подавляли рост грибков. Это говорит о том, что микроорганизмы развили к ним устойчивость. В сочетании же с лактоназами противогрибковый эффект оказался ярко выражен: наилучшего результата удалось достичь при использовании пептидов с лактоназой His₆-OPH. Так, в ее присутствии эффективность бацитрацина повысилась в 100 раз, колистина — в 2000 раз, а полимиксина — в 5000 раз в отношении всех протестированных грибков.

Исследование культуры дрожжей под микроскопом. Источник: Елена Ефременко.

«Исследование показало, что комбинации противомикробных пептидов с лактоназами помогут эффективнее бороться с грибками, вызывающими инфекции как у человека, так и у животных и растений. В дальнейшем мы планируем исследовать полученные комбинации ферментов с антимикробными препаратами против смешанных популяций микроорганизмов, например, разных грибковых штаммов, грибков и бактерий, грибков и микроводорослей. Это важно, поскольку часто поражение живых и неживых объектов происходит в действительности не чистыми индивидуальными культурами, а сообществами микроорганизмов. Это одна из стратегий выживания клеток, позволяющая им в ходе межклеточных взаимодействий приобретать новые возможности, в том числе большую устойчивость к антимикробным средствам», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Елена Ефременко, доктор биологических наук, профессор кафедры химической энзимологии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Фото на обложке: компьютерный анализ комбинаций противомикробных пептидов и лактоназ. Источник: Елена Ефременко, предоставлено пресс-службой РНФ