Новые белки могут помочь преодолеть устойчивость бактерий к антибиотикам
Бактерии наиболее опасны, когда образуют биоплёнки — крепости, защищающие их от антибиотиков. Учёные из Израиля и Калифорнии представили новый подход к борьбе с такими колониями. Их исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Сотрудничество началось после лекции профессора Калифорнийского технологического института Дианн Ньюман в Институте Вейцмана. Она изучала фермент, который нарушает метаболизм бактерии Pseudomonas aeruginosa, строящей биоплёнки. Этот фермент блокирует молекулу пиоцианин, помогающую бактериям в глубине биоплёнки выживать при нехватке кислорода и лучше переносить антибиотики. Проблема была в том, что природный фермент нестабилен и производится в ничтожных количествах.
Pseudomonas aeruginosa — оппортунистический патоген, вызывающий инфекции у пациентов с муковисцидозом, диабетом, а также на имплантированных медицинских устройствах. Биоплёнки способствуют рецидивам и развитию антибиотикорезистентности.
Профессор Сарель Флейшман, специалист по вычислительному дизайну белков, предложил Ньюман создать стабильную версию фермента. Его лаборатория ранее работала над стабилизацией вакцинных белков.
Дизайн нового фермента
Исследовательница Розали Липш-Соколик и доктор Ольга Херсонски взялись за задачу. Фермент оказался тримером — комплексом из трёх одинаковых белковых субъединиц, «словно бочки, стянутые вместе».
Учёные:
- Определили атомную структуру фермента.
- Обнаружили, что области контакта между субъединицами упакованы неплотно — это стало мишенью для стабилизации.
Из-за огромного числа возможных вариантов дизайна был применён двойной подход:
- Поиск похожих белков у других бактерий.
- «Тонкий» атомный дизайн — подбор аминокислот в примерно дюжине ключевых позиций.
Вычислительные методы лаборатории Флейшмана позволили быстро создать и ранжировать сотни тысяч вариантов белков.
Экспериментальная проверка
Доктор Челси М. ВанДрисс из лаборатории Ньюман провела биологические испытания. Из-за сложности экспериментов можно было протестировать только 10 спроектированных вариантов.
Результаты превзошли ожидания:
- 8 из 10 ферментов производились в лаборатории в значительно больших количествах, сохраняя активность.
- Один фермент оказался особенно стабильным и производился в больших объёмах.
«Это подтвердило нашу гипотезу о контактных областях», — отметил Флейшман.
Эффект против биоплёнки
Учёные проверили, может ли улучшенный фермент в комбинации с клиническим антибиотиком уничтожить биоплёнку.
Оказалось, что комбинация работает даже лучше ожидаемого. Фермент помогал антибиотику эффективно убивать бактерии в наружных, кислородсодержащих слоях биоплёнки, что быстро приводило к значительному снижению числа жизнеспособных клеток.
Исследование, начавшееся как проверка вычислительных методов, открыло реальный путь к созданию терапии против агрессивных бактериальных инфекций, устойчивых к лечению.