Зная механизм действия антибиотиков, можно “придумывать” новые лекарства этой группы, обладающие лучшими свойствами. Такие знания, в частности, приносит изучение структурно-динамической организации биомембраны бактерий. Именно этим сегодня занят старший научный сотрудник лаборатории моделирования биомолекулярных систем Института биоорганической химии им. академиков М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН Антон ЧУГУНОВ. Решать многие непростые задачи ему, кандидату физико-математических наук, удается с помощью методов компьютерного моделирования. Коллектив, который вместе с молодым ученым работает над темой, небольшой, но достичь надеется многого — и в фундаментальной, и в практической сферах.
Как же во всем этом замешана биомембрана?
— Биомембрана — непременный компонент любой живой клетки, — поясняет Антон Олегович. — Даже многие вирусы, которые считаются не вполне живыми, имеют мембрану. Но не у всех она одинаковая. Скажем, у эукариот (это домен живых организмов, клетки которых имеют ядра) она не такая, как у бактерий. А у бактерий отличается от той, которой обладают археи. Бактерии и археи — это два домена микроорганизмов (прокариот), не имеющих ядра в клетке. Вместе с эукариотами они формируют трехдоменную систему в классификации жизненных форм, предложенной Карлом Везе. Согласно этой системе, все формы живых организмов делятся на три крупные группы (домена), две из которых относятся к прокариотам (это археи и бактерии), а оставшийся домен — эукариоты (это животные, растения, грибы и простейшие).
В нашей работе особую важность имеют два отличия эукариотической мембраны от бактериальной. Первое отличие в том, что бактериальная отрицательно заряжена, так как содержит анионные фосфолипиды. Второе — в бактериальной мембране есть особый липид с длинным хвостом и пирофосфатным остатком, который называется липид-2. У эукариот мембрана состоит чаще всего из незаряженных (цвиттерионных) липидов, и в ней уж точно нет такой экзотики, как липид-2. У бактерий же он играет роль переносчика пептидогликановых “строительных блоков” клеточной стенки. Она, как авоська, охватывает клетку с внешней стороны от мембраны, а переносчиком ее элементарных звеньев из цитоплазмы наружу является липид-2. Но он же и “ахиллесова пята” бактерий, потому что на него действует масса мембраноактивных антибиотиков, подавляющих синтез клеточной стенки и нарушающих целостность мембраны.
— С этим, будем считать, ясно. А в чем проблема?
— Если брать широко, то проблема в резистентности (устойчивости) бактерий к антибиотикам. В основе развития резистентности лежит эволюционное изменение “мишени”, в которую бьют антибиотики. Например, известное лекарство от гриппа — тамифлю — нацелено на вирусный белок нейраминидазу, отвечающий за выход размножившихся вирусных частиц из зараженной клетки. При создании препарата ученые рассчитывали, что тамифлю заблокирует нейраминидазу. В результате вирус не сможет покинуть клетку, и его распространение будет остановлено. Однако природная изменчивость привела к тому, что мишень действия лекарства эволюционировала (изменилась) и препарат просто перестал действовать.
Мишень многих антибиотиков — мембрана бактерии, более конкретно — липид-2, а еще точнее — пептидный фрагмент пептидогликанового звена, присоединенного к липиду-2. К таким антибиотикам относятся “классические” пенициллин и ванкомицин. Малейшее изменение пептидного состава пептидогликанового звена приводит к тому, что эти антибиотики становятся неэффективными (теряют возможность прочно захватывать липид-2). Подобные трансформации происходят легко: их может вызвать замена всего одной “буквы” в геноме. А это — дело обычное.
Однако у некоторых других антибиотиков конкретная молекулярная мишень — не пептидогликановая, а пирофосфатная часть липида-2. В этих случаях легкое изменение мишени невозможно, поскольку требуется не точечная замена в гене, а модификации целого биосинтетического пути, что гораздо менее вероятно. К таким антибиотикам относится, например, низин — один из первых открытых антибиотиков, который применяется сейчас в основном в качестве пищевого консерванта.
Преимущество подобных антибиотиков в том, что, во-первых, мишень их воздействия — пирофосфат — содержится только в бактериальном липиде-2 (его нет в “обычных” фосфолипидах), а, во-вторых, вероятность изменения его химической структуры намного меньше, чем в случаях, связанных с пептидными фрагментами. Этим объясняется и безопасность таких антибиотиков для животных и человека, и некоторая надежда, что они могут не нести в себе бремя резистентности.
В первую очередь мы занимаемся фундаментальными вопросами: выясняем, как действуют антибиотики на липид-2 и бактерии, как создать структуру, которая может стать основой для получения эффективных препаратов. Но разработка самих антибиотиков нового поколения — задача не наша. Даже если бы мы хотели, нам одним не пройти этот сложный путь от начала до конца. А вот когда мы добьемся заметных результатов и их перспективность будет подтверждена, ими, надеемся, заинтересуются другие исследователи или даже фармацевтические компании. Тогда и мы готовы подключиться к созданию препаратов.
— Как ведутся исследования?
— Мы работаем исключительно на компьютерах, то есть ведем эксперименты in silico. Этот термин, обозначающий компьютерное моделирование, создан по аналогии с давно известными — in vivo (в живом организме) и in vitro (в пробирке), которые обычно применяют в биологии. Фактически мы используем суперкомпьютерные расчеты молекулярной динамики как “молекулярный микроскоп”, чтобы в деталях разглядеть то, что неподвластно даже самым сложным экспериментальным подходам. Но надо помнить: то, что мы получаем, — лишь модели, предсказания. Их еще предстоит проверить и уточнить.
— Ведутся ли совместные исследования с коллегами из других научных организаций?
— Пока мы ни с кем не сотрудничаем. Потенциал компьютерного эксперимента далеко не исчерпан. Сотрудничеству придет время, когда мы сможем точно сказать: “сварите” вот такую молекулу, и она будет действовать на такие-то мембраны. Такого уровня мы пока не достигли. Сейчас занимаемся изучением возможных механизмов действия природных антибиотиков, в частности упомянутого выше низина. А к дизайну прототипов новых бактерицидных молекул планируем перейти позднее. В команде “моделистов” четыре человека: я, аспирантка нашего института Ирина Панина, старший научный сотрудник Дмитрий Нольде и заведующий лабораторией Роман Ефремов. Позже подумаем о том, кого из экспериментаторов пригласить к проверке наших гипотез.
— Расскажите о ваших планах.
— В случае удачного дизайна молекулы-ловушки для пирофосфата в составе липида-2 и подтверждения расчетами, что эта “парочка” способна взаимодействовать в бактериальной мембране, дальнейший ход событий мог бы быть таким. Первое — химический синтез молекулы-ловушки. Второе — экспериментальная (in vitro) проверка того, что синтезированный продукт взаимодействует с липидом-2 в искусственной мембране. Третье — установление бактерицидной активности разработанной молекулы на ряде штаммов культивируемых микроорганизмов. Четвертое — лабораторное тестирование синтезированной молекулы на животных, выяснение, сможем ли мы избавить их от болезней. Ну а дальше заглядывать пока не хочу. В принципе, это может быть либо продажа активной молекулы одной из фармацевтических компаний, либо попытка самостоятельно провести доклинические и клинические исследования.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Иллюстрации предоставлены А.Чугуновым
Нет комментариев