Российские ученые первыми раскрыли секретное оружие туберкулезной палочки: они обнаружили фермент, работающий по принципу «молекулярной карусели». Он помогает микобактериям переходить в состояние «спячки» и сохранять устойчивость к действию антибиотиков и иммунной системы. Открытие может стать ключом к созданию принципиально новых лекарств против туберкулеза, которым, по последним опубликованным данным ВОЗ, в мире болеют свыше 10 млн человек. Для фармакологии это перспективная мишень, однако до вывода потенциального препарата на рынок может пройти 10–15 лет, предупредили опрошенные «Известиями» эксперты.
Авторы «экспериментальной» части. Слева направо: Александр Савицкий, Дарья Багаева, Галина Демина, Маргарита Шлеева, Михаил Агафонов. Источник: Маргарита Шлеева / ФИЦ Биотехнологии РАН
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале International Journal of Biological Macromolecules (прим. – Пресс-служба РНФ).
Механизм молекулярной карусели
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.
Перспективы в клинической медицине
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.