Стафилококк в 3D. Казанские физики нашли способ «обезоружить» бактерию

В лаборатории структурной биологии Казанского федерального университета 10 молодых физиков и биологов успешно решают задачи, которые обычно ставят перед целыми институтами. Здесь впервые в мире создали 3D-модель, которая позволила понять, как ведёт себя каждый атом золотистого стафилококка, и выяснили, в чём секрет его устойчивости к антибиотикам.

Вычислить патоген

Победить золотистый стафилококк, который, кстати, живёт в организме чуть ли ни каждого четвёртого человека, пытаются во всём мире, но безуспешно. Ко всем существующим антибиотикам эта бактерия уже привыкла, так что они могут лишь временно усмирить любую вызванную ею инфекцию. Чтобы понять, как воздействовать на этот патоген более эффективно, понадобилось выяснить, как ему удаётся «обмануть» лекарства, а для этого уточнить его структуру вплоть до каждого атома. Вот в этом биологам, химикам и фармацевтам всего мира и помогли казанские физики.

Совместно с коллегами из Франции они впервые создали трёхмерные модели главных компонентов клетки грамположительной патогенной бактерии, чтобы помочь создать препарат точечного действия сначала против золотистого стафилококка, а затем по такому же принципу против других его «братьев». Работа эта оказалась настолько важной, что под неё создали современную лабораторию. Учёных уже на первых порах поддержали сразу два крупных грантодателя – Российский научный фонд и Российский фонд фундаментальных исследований.

«Внутри клетки работает молекулярная машина, которая синтезирует белки, управляющие всеми процессами в жизни организма, - рассказывает доцент кафедры медицинской физики и старший научный сотрудник лаборатории структурной биологии КФУ Константин Усачёв. У руля этой машины - рибосома. Она считывает информацию, закодированную в нуклеиновых кислотах нашего ДНК и синтезирует белки. Цель 40% всех антибиотиков – остановить работу рибосомы, а с ней и синтез белка, чтобы клетка погибла.

Но проблема в том, что антибиотики пока не видят разницы между рибосомами патогенных бактерий и рибосомами здоровых клеток человека, так что убивают и те и другие. Вот мы и решили показать эту разницу с помощью физических методов, в том числе ядерного магнитного резонанса, который в своё время открыли в Казанском университете».

Методы разные, но все они позволяют построить 3D-модель рибосомы бактерии, чтобы сыграть на её отличии от клетки человека при разработке новейшего препарата. Ведь антибиотик обычно создают буквально по образу и подобию участка рибосомы, куда встраивается транспортная РНК. Последняя как раз и несёт с собой сырьё для синтеза белка, дающего жизнь клетке. Если этот участок займёт лекарство, то транспортная РНК туда не пройдёт, белок перестанет расти и бактерия погибнет.

Перехитрить бактерию

Стоит физикам обнаружить отличия рибосомы бактерии, как за дело возьмутся молекулярные биологи, а от них эстафету примут химики. Они создадут химические вещества, которые будут как ключ к замку подходить к рибосомам патогенных клеток. Это один из основных путей создания новых антибиотиков, но в случае с золотистым стафилококком всё оказалось не так просто.

«У золотистого стафилококка есть форма, против которой большинство известных антибиотиков не действует, - объясняет Константин Усачёв. - Рибосомы бактерии оказались хитрее лекарств. Как только появляется антибиотик, рибосомы стафилококка образуют пары (димеры), которые буквально впадают в спячку, даже белок не синтезируют. Причём в паре они прикрывают друг другом те участки, куда должны встраиваться антибиотики. Получается, что лекарство убивает только одиночек, а пары не трогает. Но стоит антибиотику покинуть клетки, как пары рибосом «просыпаются», разделяются и снова развивают бурную деятельность».

В лаборатории структурной биологии КФУ выяснили, что за создание этих пар отвечает так называемый белок стресса. За счёт них и получается жёсткая сцепка пары. И парадокс в том, что в стрессовые условия клетка бактерии попадает именно с появлением антибиотика, то есть лекарство само провоцирует защитную реакцию у рибосомы.

«За 1,5 года мы завершили два этапа исследований – определи структуру рибосом золотистого стафиллокока и их пар, - отмечает Константин Усачёв. - В этой работе нам помогали биохимики, которые синтезировали объекты исследований. Впереди третий этап – нужно понять, какое вещество не даст хитрым рибосомам впадать в спячку парами. Если прикрыть хотя бы один конец белка каким-то «колпаком», то они не смогут сцепиться, и антибиотик нанесёт точный удар по одиночным рибосомам. В поиске нужного блокирующего вещества мы рассчитываем на помощь химиков из научно-образовательного центра фармацевтики КФУ. В случае успеха работы можно будет провести доклинические и клинические испытания в университетской клинике. На выходе мы получим два лекарства – первое заблокирует защитную реакцию золотистого стафилококка, а второе убьёт его».

Кстати, результаты работы казанских учёных, которые физическими методами впервые в мире определили структуру как самих рибосом золотистого стафилококка, так и их димеров, опубликовали престижные международные журналы.

Смотрите также:

• Молекулы-киборги. Как казанские учёные обманули природу →
• Рак от рака. Как крабов используют в лечении онкологии →
• Новое лекарство от гриппа разрабатывают учёные КФУ →