Биологи использовали пекарские дрожжи для изучения устойчивости грибов к лекарствам

Биологи из МГУ сообщили о новом понимании механизмов лекарственной устойчивости грибов. Для их изучения учёные использовали пекарские дрожжи, экспрессирующие флуоресцентные белки, сращённые с мембранными транспортерами. Грибы активируют защитные механизмы в ответ на накопление токсичных соединений в их клетках. Исследование показало, что устойчивость дрожжей (и, возможно, патогенных грибов) к антимикотическим агентам сложнее, чем считалось ранее. Результаты опубликованы в журнале Scientific Reports.

Устойчивость патогенных микроорганизмов к лекарствам — серьёзная медицинская проблема. Наиболее известная угроза — антибиотикорезистентные бактерии. Некоторые патогенные грибы также эволюционировали, чтобы активировать механизмы защиты против противогрибковых средств. Один из таких механизмов — гиперактивация ABC-транспортеров. Эти транспортные белки локализованы в плазматических мембранах и выводят потенциально вредные вещества из цитоплазмы.

У грибов с гиперактивированной множественной лекарственной устойчивостью, включая патогенные, ABC-транспортеры выводят антимикотики, значительно снижая эффективность лечения грибковых инфекций. В 2016 году команда из НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского предложила метод подавления множественной лекарственной устойчивости у грибов. Учёные подавили защитный механизм дрожжевых клеток с помощью алкил-родаминов — соединений, которые сами по себе не вредны для микроорганизмов. Как и другие липофильные катионы (положительно заряженные ионы, умеренно растворимые в воде), эти вещества легко проходят через клеточные мембраны. Более того, алкил-родамины флуоресцентны и поэтому часто используются в лабораторных исследованиях в качестве красителей.

Алкил-родамины индуцировали бесполезную активность ABC-транспортеров: вместо того чтобы выводить токсичные антимикотики, они начали выкачивать краситель. Однако после вывода из клеток липофильные катионы стремятся мгновенно вернуться обратно. В результате большинство ABC-транспортеров были заняты выкачиванием безвредного красителя, в то время как антимикотический агент, добавленный одновременно с алкил-родаминами, накапливался в цитоплазме.

«Когда концентрация ксенобиотика в клетке увеличивается, это запускает компенсаторный ответ, то есть клетка начинает производить больше белков ABC-транспортеров, чтобы быстрее выкачивать потенциально вредные агенты», — говорит соавтор работы Дмитрий Кнорре, старший научный сотрудник НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского. — «Мы предположили, что липофильные катионы не вызовут компенсаторного ответа. Из-за своего положительного заряда они проникают в отрицательно заряженные клеточные органеллы (митохондрии) и накапливаются там. Следовательно, эти вещества не будут присутствовать в высокой концентрации в цитоплазме обработанной клетки. Насколько нам известно, сенсоры ксенобиотиков грибов работают в цитоплазме. Мы ожидали, что клетки не смогут обнаружить ксенобиотики внутри митохондрий, и поэтому не произойдёт гиперактивации ABC-транспортеров».

Для проверки этой гипотезы исследователи добавили липофильный катион под названием додецилтрифенилфосфоний (C₁₂TPP) к пекарским дрожжам. Эти хорошо известные виды дрожжей часто используются как модельный организм для изучения молекулярных механизмов у грибов. Для удобства исследования учёные создали гибридный белок — одна его часть была основным грибным ABC-транспортером, а другая — зелёным флуоресцентным белком. При облучении это соединение испускает свет, поэтому его накопление в клетках можно наблюдать с помощью флуоресцентного микроскопа. Вторая часть не мешала ферментативной активности, белок выполнял роль ABC-транспортера в клетке.

Исследование показало, что взаимодействие с липофильными катионами всё же заставляет клетки запускать компенсаторный ответ. В присутствии липофильных катионов дрожжи производили и накапливали значительно больше ABC-транспортеров, чем в обычных условиях. Другие методы также указали на увеличение множественной лекарственной устойчивости при обработке липофильными катионами.

Механизм, который помогает клетке обнаруживать ксенобиотики в митохондриях, до сих пор неизвестен. Вероятно, он включает несколько дополнительных систем, реагирующих на потенциально вредные вещества. Принципы их функционирования ещё предстоит определить. Авторы планируют включить патогенные грибы в дальнейшие исследования.