Албицидин, насочен от бактерии Klebsiella pneumoniae
Резистентните бактерии Klebsiella pneumoniae могат да улавят и инактивират антибиотика албицидин с помощта на протеина AlbA.
Конвенционалните антибиотици все повече губят своята ефективност срещу все по-често срещаните мулти-устойчиви микроби. Много бактерии имат естествено придобити механизми, които ги предпазват от вредни вещества. Това се отнася и за активната съставка албицидин: опасните грам-отрицателни бактерии имат протеин, който свързва албицидина и по този начин го инактивира.
Учени от Центъра за изследване на инфекциите на Helmholtz (HZI) и свързания с него Институт за фармацевтични изследвания Helmholtz Saarland (HIPS) сега са изследвали този механизъм на устойчивост с атомна резолюция. Те открили, че протеинът не само свързва активното вещество, но и го променя химически. В същото време той увеличава собственото си производство, така че албицидинът се прави безвреден още по-ефективно. Учените публикуват резултатите си в Journal of the American Chemical Society.
Протеиновата молекула AlbA се свързва с антибиотика албицидин и предпазва бактериите от неговите ефекти
Патогенните бактерии са разработили различни механизми, за да се предпазят от антибиотици. Някои просто отделят токсичните за тях вещества, други променят клетъчната си стена, така че антибиотиците дори не могат да проникнат в тях. Някои микроби променят целевата структура, атакувана от антибиотици - или просто антибиотик директно. Бактериите от рода Klebsiella например използват друг трик: Те имат протеинова молекула, наречена AlbA, която се свързва с антибиотика албицидин и по този начин предпазва патогените от неговите ефекти. Учените от Центъра за изследване на инфекции Helmholtz (HZI), Института за фармацевтични изследвания Helmholtz Saarland (HIPS) - съоръжение на HZI в сътрудничество с Университета на Саар (UdS) - и Германския център за изследване на инфекциите (DZIF) имат основен защитен механизъм ) разгледани.
Klebsiella pneumoniae е един от най-честите патогени, причиняващи бактериален сепсис и придобита в болница пневмония. Освен това може също да причини инфекции на пикочните пътища, например. Klebsiae са грам-отрицателни бактерии, които са трудни за лечение и често развиват резистентност към няколко антибиотици. Учените от HZI вече са открили нов, високоефективен клас активни съставки срещу грам-отрицателни микроби: цистобактамидите. „Този клас вещества е подобен на албицидин, към който много щамове Klebsiella вече показват резистентност“, казва младши професор Йеско Кьонке, който ръководи младшата изследователска група „Структурна биология на биосинтетичните ензими“ в HIPS. "Искахме да знаем дали протеинът AlbA е ефективен и срещу цистобактамиди, затова анализирахме механизма на резистентност към албицидин на молекулярно ниво."
AlbA дори химически променя свързания албицидин
За тази цел около Йеско Кьонке се събра интердисциплинарен екип от учени, в който катедрата на проф. Марк Брьонструп извърши синтеза, работната група на проф. Олга Калинина извърши биоинформатиката, а катедрата на проф. Ролф Мюлер - тестове за активност и профили на генна експресия. Първо, триизмерната структура на протеина AlbA със свързания албицидин беше дешифрирана с помощта на анализ на рентгенова структура. Учените забелязали, че в хода на еволюцията малък джоб за свързване на антибиотика се е превърнал в дълъг тунел, в който албицидинът може да бъде поставен точно.
Структурният анализ дава и друг удивителен резултат: свързаният албицидин е химически променен. „Първоначално предположихме, че AlbA просто абсорбира албицидина - както гъбата абсорбира вода - и по този начин го отстранява временно. Но сега открихме, че той дори променя албицидина “, казва Кьонке. По-нататъшни експерименти показват, че модифицираният албицидин има по-слаба активност, т.е. е по-малко вреден за бактериите.
AlbA свързва цистобактамида много по-слабо
Учените откриха, че освен мястото на свързване на антибиотика, AlbA има и такова за ДНК. С този раздел той може да се свърже с генетичния материал на бактериалната клетка - точно там, където се контролира производството на AlbA. В лабораторни експерименти с Klebsiella pneumoniae екипът на Jesko Köhnke успя да докаже, че когато се прилага албицидин, генът с плана за AlbA се отчита 3000 пъти по-често след четири часа, отколкото без антибиотици. „Механизмът на Klebsiella срещу албицидин е изключително ефективен: Ако влезете в контакт с него, улавяте първите молекули на активната съставка с техния протеин AlbA. В същото време те произвеждат все повече и повече AlbA. Също така показахме, че тези механизми все още не са достатъчни за съпротива, което сега искаме да проучим по-отблизо “, казва Кьонке.
Сравнителните експерименти показват, че свързаната активна съставка, цистобактамид, е много по-малко силно свързана с AlbA. В допълнение, цистобактамидът също не стимулира производството на AlbA, така че Klebsiella все още не са успели да постигнат резистентност към цистобактамид с този механизъм. „Въпреки това бактериите са устойчиви на цистобактамид. Ето защо искаме да изясним механизмите възможно най-точно, за да можем след това да разработим активни съставки, които заобикалят устойчивостта “, казва Кьонке.
Asfandyar Sikandar, Katarina Cirnski, Giambattista Testolin, Carsten Volz, Mark Brönstrup, Olga V. Kalinina, Rolf Müller и Jesko Koehnke. Адаптиране на бактериална система за устойчивост на много лекарства, разкрита от структурата и функцията на AlbA. J. Am. Chem. Soc. 2018 г., DOI: 10.1021/jacs.8b08895