Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале International Journal of Biological Macromolecules (прим. – Пресс-служба РНФ).
Ученые обнаружили фермент, который помогает микобактериям — возбудителям туберкулеза — переживать атаку иммунной системы и действие антибиотиков. Он отвечает за создание молекул, которые увеличивают жесткость мембраны бактерии и замедляют обмен веществ в клетке. Открытие, сделанное учеными из Федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН и Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН будет использовано при разработке новых лекарств.
Авторы «расчетной» части: Роман Ефремов, Ирина Панина. Источник: Маргарита Шлеева / ФИЦ Биотехнологии РАН
Исследования показали, что в состоянии покоя в клетках микобактерий накапливается особое вещество — тетраметиловый эфир копропорфирина. Сам копропорфирин представляет собой молекулу с кольцевой структурой, а присоединение к ней четырех метильных групп приводит к образованию эфира, который накапливается в клеточной стенке бактерий. Именно это соединение повышает устойчивость микобактерий к неблагоприятным факторам, включая воздействие иммунной системы и окислительный стресс. При его высокой концентрации снижается активность дыхания бактерий, что вместе с другими метаболическими изменениями способствует переходу клеток в состояние «спячки». При этом до последнего времени оставалось неясным, каким образом происходит такое химическое превращение.
Российские ученые выявили фермент, отвечающий за преобразование копропорфирина в его эфирную форму. Для этого они проанализировали белковые базы данных и отобрали наиболее вероятные ферменты-кандидаты, присутствующие у микобактерий. Далее исследователи получили экспериментальные штаммы: одни — с повышенной выработкой этого фермента, другие — лишенные способности его синтезировать, что позволило подтвердить его ключевую роль в данном процессе.
Мария Хренова проводит моделирование активного центра фермента с использованием вычислительных мощностей. Источник: Маргарита Шлеева / ФИЦ Биотехнологии РАН
Бактерии с избытком фермента накапливали эфира в девять раз больше нормы и значительно лучше переживали условия, имитирующие атаку иммунной системы в организме человека и действие антибиотиков. Микобактерии без этого фермента хуже синтезировали защитные молекулы, что снизило их выживаемость.
С помощью компьютерного моделирования авторы выяснили, что открытый фермент работает по необычному механизму, похожему на «молекулярную карусель». Копропорфирин попадает в активный центр фермента и, находясь в нем, меняет свою ориентацию (поворачивается), в результате чего на него «навешивается» четыре метильные группы. Это позволяет синтезировать тетраметиловый эфир напрямую без промежуточных продуктов и тем самым повысить эффективность превращения.
Определение метилированного копропорфирина в экстрактах микобактерий хроматографическим методом. Дарья Багаева. Источник: Маргарита Шлеева / ФИЦ Биотехнологии РАН
Образующийся эфир встраивается в мембрану микроорганизма, увеличивает ее жесткость и замедляет процессы обмена веществ. Всё это служит сигналом для перевода клетки в энергосберегающий режим, способствующий длительному выживанию в неблагоприятных условиях. Именно в таком состоянии микобактерии «прячутся» от иммунной системы и лекарств в организме человека.
— Поскольку описанный фермент активен именно при переходе микобактерий в состояние покоя, он может служить мишенью для разработки препаратов от туберкулеза. Так, если заблокировать его, бактерия не сможет перейти в покоящееся состояние и станет чувствительной к действию иммунной системы и антибиотиков, — рассказала руководитель проекта, доктор биологических наук, завлабораторией биохимии стрессов микроорганизмов ФИЦ биотехнологии РАН Маргарита Шлеева.
Туберкулезная палочка умеет строить вокруг себя молекулярную «броню», которая делает ее почти неуязвимой для иммунитета и антибиотиков, рассказала молекулярный биолог Арина Холькина.
— Ученые нашли фермент-«инженер», который создает материал для этой брони — тетраметиловый эфир копропорфирина. Бактерия быстро «надевает доспехи» и уходит в спячку на годы. Если заблокировать этот фермент лекарством, палочка останется без брони и станет уязвимой для обычных препаратов и иммунитета, — рассказала «Известиям» специалист. — Для фармакологии это очень перспективная мишень: карусельный механизм уникален и отсутствует у человека — значит, ингибитор будет безопасным. Такое средство лишит бактерию главного трюка (умения прятаться), сократит длительность терапии и поможет предотвратить рецидивы и латентные инфекции.
Туберкулез с множественной лекарственной устойчивостью — нарастающая глобальная проблема, так что любой механизм воздействия на спящие формы представляет стратегический интерес, добавила ведущий эксперт рынка НТИ «Хелснет» Марина Чумакова.
— Большинство существующих антибиотиков (изониазид, рифампицин) бьют по активно делящимся клеткам. Спящие микобактерии на них не реагируют, что и объясняет рецидивы спустя годы. Ингибитор данного фермента теоретически атакует то состояние, которое сейчас фактически недосягаемо для терапии, — отметила она.
При этом, подчеркнула специалист, путь от научного открытия до создания препарата остается длительным: реалистичный горизонт его появления оценивается в 10–15 лет.
