Сотрудники Института молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН вместе с коллегами установили, что
способность бактериальных клеток поддерживать количество рибозы — сахара, входящего в состав РНК и ДНК,
— на уровне физиологической нормы определяет их чувствительность к широкому спектру антибиотиков,
используемых в клинической практике.
Синтез рибозы происходит в пентозофосфатном пути, который позволяет клетке тонко регулировать
её количество в зависимости от наличия питательных веществ и воздействия стрессовых факторов. Оказалось, что
мутации по генам двух ферментов этого пути лишают клетку возможности регулировать количество рибозы, что
приводит к резкому росту чувствительности бактерий к антибиотикам. Полученные данные открывают возможность
разработки комбинированных препаратов для борьбы с патогенами с лекарственной устойчивостью. Результаты
исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда
(РНФ), опубликованы в журнале mBio.
Тестирование бактерий на
чувствительность к антибиотикам
С начала использования антибиотиков в медицине прошло почти сто лет, и за этот продолжительный период
такие препараты помогли спасти миллионы человеческих
жизней. Однако широкое применение антибиотиков способствовало эволюции защитных механизмов, которые
позволяют бактериям выжить под действием этих лекарств. В настоящий момент учёные понимают, что необходимо
принципиально изменить подход к борьбе с устойчивыми патогенами. При этом повысить эффективность
противомикробной терапии можно только, зная, как меняется метаболизм (обмен веществ) бактерий под действием
различных антибиотиков.
Исследователи из ИМБ РАН (Москва), Медицинской школы Нью-Йоркского университета (США) и Медицинского
института Говарда Хьюза (США) установили, что «ахиллесовой пятой» для
бактериальной клетки является синтез рибозо-5-фосфата (рибозы). Этот сахар участвует в формировании скелетов
РНК и ДНК и необходим для нормального роста и деления клетки.
Оценка жизнеспособности
мутантных бактерий
Синтез рибозы претерпел длительную эволюцию, в результате которой из однонаправленного каскада реакций
этот биохимический процесс превратился в своего рода цикл — пентозофосфатный путь. На первом этапе,
используя в качестве источника питания глюкозу, клетка синтезирует рибозу для строительства генома и
синтетического аппарата. Вся неизрасходованная рибоза на втором этапе возвращается в центральный метаболизм
и тратится на другие цели. Таким образом пентозофосфатный путь выступает сенсором, который соотносит
потребности клетки с интенсивностью роста, не допуская перерасхода ценных соединений.
В работе в качестве модельного микроорганизма авторы использовали кишечную палочку
Escherichia coli. С помощью методов генной инженерии
исследователи получили три группы бактерий. В первой был удалён ген, выключающий первый этап
пентозофосфатного пути. Во второй группе был инактивирован второй этап этого пути. Третья группа бактерий
несла сочетание первой и второй мутаций, что полностью видоизменило синтез рибозы в этих клетках, сделав его
похожим на «первобытный» однонаправленный биосинтез, который до сих пор остался у архей (безъядерных
организмов, эволюционно отличных от бактерий), некоторых представителей микрофлоры кишечника, а также
растений.
Участник исследования Ирина
Петрушанко, ИМБ РАН
Оказалось, что ни один из вариантов нарушения пентозофосфатного пути не повлиял на скорость роста
бактерий, так как клетка способна «переключаться» с одного способа синтеза рибозы на другой. Однако, по
сравнению с исходными клетками без мутаций, у бактерий с нарушенным первым этапом возникла чувствительность
к гентамицину, цефотаксиму, эритромицину и рифампицину — антибиотикам, активно использующимся для лечения
бактериальных инфекций. При выключении обоих этапов пентозофосфатного пути в присутствии антибиотиков выжил
лишь 1 % бактерий.
Исследователи установили, что повышенная чувствительность мутантных бактерий к антибиотикам связана с
избыточным накоплением в их клетках рибозы. Дополнительные генетические модификации, позволяющие более
интенсивно расходовать рибозу, восстанавливали у микроорганизмов с нарушенным пентозофосфатным путем
устойчивость к антибиотикам. Таким образом, общий метаболический «иммунитет» бактерий оказался зависимым от
процессов синтеза и расхода рибозы. Следовательно, искусственное повышение внутриклеточного количества
рибозы может использоваться для преодоления антибиотикорезистентности.
Участник исследования
Светлана Склярова, ИМБ РАН
«Мы предполагаем, что воздействие на ферменты пентозофосфатного пути, а также на процессы, связанные с
использованием рибозы в клетке, позволит разработать новые терапевтические средства, направленные на
повышение эффективности клинически значимых противомикробных препаратов. В дальнейшем мы планируем
исследовать роль рибонуклеозидов — предшественников структурных
звеньев цепи РНК на основе рибозы — как потенциальных
модуляторов чувствительности бактерий к антибиотикам», — рассказывает участник проекта,
поддержанного грантом РНФ, Татьяна Серегина, старший научный сотрудник
лаборатории генетической регуляции метаболических процессов ИМБ РАН.
Источник: пресс-служба РНФ.