Земля — планета бактерий. Они живут повсюду, в том числе внутри человека. Большинство из них безвредны, но некоторые вызывают смертельно опасные инфекции. С изобретением антибиотиков казалось, что угрозе пришел конец. Однако микроорганизмы эволюционируют быстрее, чем создаются новые лекарства. В поисках решения этой проблемы исследователи обратили внимание на цистеин — аминокислоту, необходимую для роста микробов. В норме она работает как строительный материал, но в стрессовой ситуации перестает расходоваться, накапливается и становится ядом для клетки. Но некоторые микробы не погибают — значит, у них есть способ защищаться от собственного яда. Раньше это оставалось загадкой: из-за разрозненных исследований никто не знал, одинаков ли этот механизм у разных бактерий. Чтобы понять, как на самом деле он работает, ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из УрО РАН провели эксперимент и выяснили, какое вещество позволяет микроорганизмам противостоять лекарствам.
Статья опубликована в журнале «Archives of Microbiology».
Земля — планета бактерий. Они живут везде: в почве, воде, горячих источниках и во льдах Арктики. Внутри тела человека микроорганизмов в несколько раз больше, чем собственных клеток. Большинство из них безвредны, но некоторые очень опасны, например, туберкулез, пневмония, менингит, сепсис (заражение крови).
Казалось, что с изобретением антибиотиков эта проблема решена. Однако бактерии эволюционируют быстрее, чем ученые успевают создавать новые лекарства. Проблема в том, что большинство медикаментов действуют как снайперы — находят в бактериальной клетке конкретную цель и поражают ее. Но микроорганизмы постоянно меняются: они могут изменить форму мишени так, что препарат перестает ее узнавать, или перенимают друг у друга гены защиты. Так появляются супербактерии, против которых современная медицина часто бессильна. И ситуация становится тревожной: по прогнозам, к 2050 году именно они будут убивать до 10 миллионов человек ежегодно.
Чтобы остановить эту угрозу, ученые постоянно ищут у бактерий слабое место — то, что работает одинаково у всех видов, независимо от их защиты. Внимание исследователей привлек цистеин — аминокислота, которая постоянно вырабатывается в бактериальной клетке.
В нормальных условиях он нужен микробам как строительный материал: из него собираются белки для роста. Но когда бактерия попадает в стресс — например, под действием антибиотика или при нехватке пищи — сборка белков останавливается. Цистеин перестает расходоваться, однако его выработка продолжается по привычке. В результате аминокислота накапливается в опасных количествах и из полезного строителя превращается в яд, разрушающий клетку изнутри.
Чтобы не погибнуть от собственного яда, бактерии активируют защитные механизмы. Но одинаковы ли они у разных видов, долгое время оставалось загадкой. Все потому, что исследования были разрозненными: одни ученые, например, изучали поведение кишечной палочки при голодании, другие — реакцию стафилококка на антибиотики. То есть каждый работал только со «своим» микробом, и никто не сравнивал их между собой. Из-за этого нельзя было понять, почему при одном и том же стрессе одни бактерии выживают, а другие нет?
Ответ на этот вопрос определил бы стратегию создания новых лекарств. Если у каждого микроба свой особый механизм защиты, бороться с инфекциями придется, каждый раз подбирая ключ к конкретному возбудителю. Но если существует единый для всех принцип выживания, значит, у бактерий есть и общее слабое место. Воздействуя на него, можно создавать препараты, которые будут одинаково эффективны против самых разных бактерий, независимо от их вида.
Поэтому ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН провели сравнительный эксперимент на двух совершенно разных видах бактерий. И в результате выяснили, какое вещество позволяет бактериям проявлять устойчивость к антибиотикам.
Для исследования они взяли кишечную и сенную палочки. Эти бактерии — полные противоположности. Первая живет в теплом и сытом кишечнике человека и может вызывать тяжелые инфекции, такие как пищевые отравления, перитонит (воспаление брюшной полости). Вторая обитает в суровой почве, где питание скудное, а температура постоянно меняется, и для людей она безвредна. Если универсальный механизм выживания действительно существует, он должен быть одинаковым у обеих, несмотря на все различия. Именно это ученые и проверили.
Для этого они полностью лишили бактерии азота, так как это один из ключевых элементов, необходимых для построения белков и ДНК. Когда микроорганизмы перестают его получать, их рост резко останавливается — они буквально замирают, но химические процессы внутри продолжаются. Это позволяет ученым в чистом виде увидеть, как клетки реагируют на стресс, без вмешательства других факторов.
На первом этапе, с помощью специальных датчиков, они замерили количество сероводорода, выделяемого микробами в среду. На втором, чтобы проанализировать внутреннее состояние клеток, ученые разрушили их ультразвуком и химическими методами определили концентрацию накопившихся веществ. Наконец, с помощью флуоресцентных красителей (вещества-индикаторы, которые меняют яркость свечения в зависимости от состояния клетки) и микроскопа они в реальном времени оценили жизнеспособность клеток, фиксируя потерю ими энергии.
В ходе наблюдений ученые обнаружили, что два вида бактерий ведут себя в стрессе совершенно по-разному.
— рассказал Олег Октябрьский, заведующий лабораторией физиологии и генетики микроорганизмов ИЭГМ УРО РАН, профессор, доктор биологических наук.Кишечная палочка вела себя спокойно. Ядовитый цистеин внутри нее накапливался, но наружу почти ничего не выходило: сероводорода выделялось совсем немного, и через 10 минут процесс затухал. Клетки оставались здоровыми. А сенная палочка повела себя иначе. Цистеина у нее изначально было в 2,2 раза больше, из-за особенностей регуляции генов, и при стрессе он продолжал накапливаться. Бактерия начала в массовом порядке превращать его в сероводород и выбрасывать наружу. Газ выделялся в несколько раз интенсивнее и не останавливался часами. Клетки стремительно теряли энергию, их мембраны разрушались, и спустя час часть бактерий начинала погибать,
Когда ученые проанализировали, чем отличаются эти два вида, они нашли ключевое различие. У кишечной палочки есть особое вещество — глутатион (молекула-защитник, которая нейтрализует токсины и помогает клетке переживать стресс). Оно работает как защитный буфер (поглощает и нейтрализует избыток токсинов): впитывает излишки ядовитого цистеина и удерживает их внутри, не давая токсину разрушать клетку. У сенной палочки его нет, поэтому ей приходится спасаться единственным доступным способом — экстренно превращать цистеин в сероводород и выбрасывать его наружу. Однако этот процесс оказывается энергозатратным и ведет к гибели.
— рассказала Любовь Сутормина, ассистент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ.Чтобы окончательно убедиться, что причина именно в глутатионе, мы проверили мутантную кишечную палочку, то есть штамм, у которого специально отключили ген, отвечающий за производство глутатиона. И она повела себя точно так же, как сенная: без защитного буфера бактерия не смогла сдерживать яд внутри и перешла в режим аварийного сброса сероводорода, что привело к потере энергии и гибели клеток,
Раньше ученые знали, что у одних бактерий глутатион есть, а у других нет. Но никто не понимал, как именно это влияет на выживание в стрессовых условиях. Пермские ученые доказали, что глутатион определяет всю стратегию поведения. Если у бактерии он есть — она пережидает стресс тихо и без потерь. Если нет — микробу приходится запускать аварийный режим, который его же и убивает.
Это открытие объясняет, почему некоторые микроорганизмы становятся неуязвимыми для лекарств. Например, золотистый стафилококк, у которого нет глутатиона, в присутствии антибиотиков вынужден активно выбрасывать сероводород, теряет энергию и гибнет. А вот кишечная палочка, благодаря глутатиону, может «пересидеть» атаку препарата и выжить. Теперь ученые понимают: чтобы победить устойчивые бактерии, нужно лишить их этой защиты.
Для этого потребуются препараты, которые либо будут блокировать глутатион, либо мешать бактериям превращать цистеин в сероводород. В первом случае ученые смогут «выключать» у микробов защитный буфер, и они будут гибнуть от собственного яда. Во втором — не давать им экстренно избавляться от токсина, и они будут задыхаться в нем.
Полученные результаты задают новое направление для поиска стратегий борьбы с супербактериями. В дальнейшем метаболизм тиолов (в частности, глутатиона) может рассматриваться как перспективная мишень для создания препаратов. Оба подхода заставят бактерии самоуничтожаться, и тогда даже существующие антибиотики снова станут эффективны. Таким образом, открытие пермских ученых дает медицине новую мишень для создания лекарств против устойчивых инфекций.
Опубликованный материал предоставлен Пермским политехом.