Находка для иона: ученые вскрыли механизм защиты супербактерий

Российские исследователи открыли молекулярный механизм, благодаря которому некоторые виды микробов получают способность противостоять антибиотикам и становятся супербактериями. Это происходит за счет действия особого рода помповой системы, которая выводит из организма токсичные вещества. Этот процесс основан на разнице электрических потенциалов внутри микроба и во внешней среде. Дальнейшие исследования будут направлены на разработку средств, которые помогут обойти этот механизм, что даст возможность создать антибиотики нового поколения.

Почему микробы становятся неуязвимыми

Угроза распространения супербактерий становится всё более актуальной. Речь идет о болезнетворных микробах, которые приспособились к воздействию антибиотиков и оказались невосприимчивы к ним. Это происходит из-за чрезмерного и неконтролируемого употребления медикаментов, вследствие чего бактерии успевают адаптироваться к лекарственным препаратам быстрее, чем фармацевты выпускать новые.

Чтобы решить проблему, ученые из НИИ физико-химической биологии (ФХБ) им. А. Н. Белозерского МГУ исследовали молекулярные механизмы, лежащие в основе жизнедеятельности бактерий, которые помогают патогенам превращаться в супербактерии. Один из этих процессов основан на биоэнергетическом обмене на клеточном уровне. Его доскональное изучение даст возможность разработать методы, которые помогут вернуть эффективность антибиотикам.

— В свое время в нашем институте были разработаны молекулы SkQ, или ионы Скулачева. Одно из их свойств — высокая антимикробная активность. Они адресно проникают в бактерии и блокируют процесс производства энергии, который происходит на клеточной мембране микроорганизма. В результате в «обесточенной» системе останавливаются жизненно важные процессы роста, движения, клеточного деления и транспорта веществ внутрь клетки, после чего бактерия погибает, — рассказал «Известиям» старший научный сотрудник лаборатории биологически свободного окисления НИИ ФХБ Павел Назаров.

Справка «Известий»

SkQ (ионы Скулачева) — это молекулы, которые способны переносить активные вещества через клеточные мембраны. Применяются как средство, защищающее от старения. Ранее считались не обладающими антибактериальными свойствами. Однако в последнее время было установлено, что это не так и они являются мощными антибактериальными соединениями. Эти молекулы легко убивают золотистые стафилококки и туберкулез, бациллы сибирской язвы и другие микробы. Считаются одним из перспективных синтетических антибиотиков.

По словам ученого, SkQ был опробован против множества различных бактериальных штаммов. Оказалось, что эти молекулы успешно справляются со всеми патогенами, кроме тех, у которых имеется особая белковая система — помпа множественной лекарственной устойчивости AcrAB-TolC, используемая бактериями для выведения частиц антибиотика из организма. Помпы — это своеобразные молекулярные машины, которые откачивают токсичные вещества, попавшие внутрь клетки.

Эксперименты показали, что под воздействием SkQ гибнут все грамположительные микробы, включая бактерии, вызывающие туберкулез, бронхит, пневмонию и менингит, а также многие грамотрицательные, кроме тех, которые обладают этой насосной системой. Поэтому цель ученых — подобрать вещества, способные обойти эту защиту, и такие наработки в лаборатории уже есть.

Как безопасно уничтожать бактерии

Как объяснил Павел Назаров, важная задача заключается в том, чтобы сделать новые антибиотики безопасными для клеток человеческого организма.

— Союзником здесь выступает тот факт, что клетки бактерий имеют разность потенциала на мембране −180 мВ (милливольт), а клетки человека — около −60−80 мВ. Это значит, что микроорганизмы более чувствительны и активнее захватывают SkQ. Вместе с тем человеческие клетки оберегает их более сложная структура. Так, чтобы ее «обесточить», действующему веществу нужно преодолеть клеточную мембрану, а затем проникнуть в митохондрию — клеточную «электростанцию». А в случае с бактериями — достаточно только первого шага. Поэтому бактерии погибают при концентрациях, гораздо меньших, чем те, которые могут нанести вред человеческому организму, — объяснил ученый.

Вместе с тем он добавил, что при разработке лекарственной терапии на основе SkQ следует внимательно относиться к дозировке препарата, чтобы создать концентрацию, губительную для бактерий, но безопасную для человека. Кроме того, все процедуры должны проводиться под строгим контролем специалиста.

Со своей стороны эксперты отметили трудности, с которыми могут столкнуться ученые при создании лекарственных препаратов на основе предложенных молекул.

— Откачивающие «насосы» — это универсальный способ защиты микробов, и предложенные молекулы, выключающие эти помпы, будут оказывать воздействие не только на патогенную, но и на полезную микробиоту. При этом бактерии жили на Земле за миллиарды лет до людей и останутся после нас. Нужно не бороться против них, а разумно уживаться, выборочно снижая активность определенных опасных штаммов, — рассказал «Известиям» старший научный сотрудник Научного центра трансляционной медицины, направление «Медицинская биотехнология», Михаил Бирюков.

Исходя из сказанного, пояснил эксперт, SkQ лучше не рассматривать как самостоятельные антибиотики, но они могут стать частью эффективной комплексной терапии, помогая преодолевать бактериальную защиту адресно действующим антимикробным веществам.

Кроме того, в случае некорректного и неконтролируемого их применения патогены, скорее всего, смогут также выработать устойчивость к этим молекулам. Поэтому важной составляющей антимикробной терапии должно быть четкое следование научно разработанным терапевтическим рекомендациям.

— Известно, что предложенные молекулы негативно воздействуют на эукариотические клетки — то есть те, которые содержат ядро. В том числе и клетки человека. Однако в небольших концентрациях, которые используют ученые, эти вещества не представляют опасности и зачастую оказывают антиоксидантный эффект и даже противодействуют старению, — отметил заведующий лабораторией молекулярной генетики Московского физико-технического института Илья Манухов.

Тем не менее эффект стоит учитывать и разрабатывать дополнительные методы защиты клеток человека при лекарственной терапии новыми антибиотиками. В этом смысле имеет ценность то, что ученые показали, как добавление сравнительно небольших количеств жирных кислот снижает токсическое воздействие SkQ на человеческий организм.

— Антибиотики в большинстве своем — это продукты жизнедеятельности микроорганизмов, которые используются для подавления других микроорганизмов. В медицинских целях их можно использовать ограниченный период времени, после чего неизбежно появление бактерий, невосприимчивых к действию антимикробных препаратов, — пояснил заведующий лабораторией структурной биологии Российского университета дружбы народов им. П. Лумумбы Вадим Молодцов.

Сейчас, по словам эксперта, в фазе высокой готовности к выводу на рынок находится наименьшее за всю историю число антибиотиков, что напрямую связано со снижением их эффективности. Это создает угрозу распространения неизлечимых или трудноизлечимых инфекций. В связи с чем проекты по разработке антимикробных препаратов и нового поколения должны быть в приоритете ведущих государств мира.

При этом в последние годы большинство компаний-лидеров свернули работы в этой сфере и центр разработки антибиотиков переместился в Азию, отметил эксперт. Прежде всего активны китайские фармацевтические компании. Конкуренцию им могут составить и отечественные разработчики и производители, резюмировал он.