В недавнем номере журнала Nature вышла статья, где описываются события, приведшие к открытию нового антибиотика – рибоцила, и раскрывается механизм действия этого антибиотика. Более того, в статье сделан вывод, что такие антибиотики могут найтись еще.
Принципиальная новизна рибоцила заключает в его мишени. Мишень рибоцила – рибопереключатель (РНК-структура), регулирующий биосинтез флавинмононуклеотида. Ничего страшного, если в предыдущем предложении вы знаете не все слова, или знакомые слова не сложились в понятное предложение. Сейчас мы попробуем в этом разобраться.
Флавинмононуклеотид (FMN) – производная витамина B2 (рибофлавина). Для людей витамин B2 – незаменимый витамин, у человека нет ферментов, которые могли бы его синтезировать. Бактерии тоже предпочитают получать его из внешний среды, но, если извне добыть его не удается, они могут синтезировать его сами. У бактерий, в отличие от людей, нужные для этого ферменты есть. Витамин B2 в организме и людей, и бактерий очень важен. Его производные: флавинмононуклеотид (FMN) и флавинадениндинуклеотид (FAD) – благодаря своей способности акцептировать электроны участвуют во многих окислительно-восстановительных реакциях (в том числе, во многих реакциях, входящих в цикл Кребса), а, значит, необходимы для синтеза АТФ.
Бактериальные клетки синтезируют ферменты, нужные для биосинтеза FMN, только если он не поступает извне. Интерес тут представляет молекулярный механизм принятия этого решения. Оно принимается так называемыми рибопереключателями – особыми регуляторными последовательностями РНК. В состав рибопереключателей входят фрагменты РНК со специфической трехмерной структурой. Эти фрагменты могут связываться с малыми молекулами (например, FMN) и, связавшись, изменить свою конформацию (трехмерную структуру). Как правило, они находятся в нетранслируемой области матричной РНК (мРНК) и в одной из конформаций препятствуют синтезу белка. Подробнее о неожиданных способностях РНК, не входящих пока в школьную программу, можно почитать в очерке нашем специальном очерке.
На этом и основывается принятие бактерий решения, нужны ли ей белки для биосинтеза FMN или нет. Если FMN в бактерии есть, он связывается с рибопереключателем, и переключатель находится в выключенном состоянии: белок с мРНК не синтезируется. Если FMN нет, синтез белка включается. Авторам работы пришло в голову, что бактерию можно обмануть. Если найти молекулу, которую переключатель посчитает достаточно похожей на FMN, белки, нужные для самостоятельного биосинтеза FMN, синтезироваться не будут. Если рибофлавин при этом не будет поступать извне (а бактериям во время инфекции взять его особо и негде), бактериальные клетки не смогут расти и делиться, будут чувствовать себя плохо, и организму легко удастся побороть инфекцию.
Прежде чем приступить к поиску подходящей молекулы, авторы, разумеется, проверили эту гипотезу. Они удалили у бактерий E. coli гены, кодирующие белки, ответственные за синтез FMN, и убедились, что такие бактерии не могут вызвать у мышей инфекцию.
Все антибиотики можно классифицировать по их мишеням – элементам бактериальной клетки, на которые антибиотик действует. Например, некоторые антибиотики не дают бактерии синтезировать клеточную стенку, и при попытке деления в ней образуются бреши и клетка гибнет. Некоторые другие взаимодействуют с бактериальными ферментами и мешают им работать. Главное в выборе мишени для антибиотика – ее специфичность. Очень важно, чтобы бактериальный элемент, на который действует антибиотик, не имел аналогов в эукариотических клетках. Потому что иначе у него будет множество побочных эффектов. В этом смысле бороться с бактериями проще, чем с вирусами или грибами. У вирусов вообще мало что есть своего, они используют структуры клеток хозяина, поэтому выбор мишеней ограничен несколькими десятками собственных вирусных белков. Грибы, в отличие от бактерий, эукариоты, и сходство их белков с белками человека выше. С этой точки зрения белки, ответственные за биосинтез рибофлавина и его производных – прекрасная мишень, у человека их просто нет, и побочные эффекты маловероятны. С другой стороны, рибопереключателей у человека (да и животных) вроде бы вообще нет, и это делает FMN переключатель особенно удачной мишенью.
Поиски авторов работы начались с розеофлавина – встречающегося в природе аналога рибофлавина. Розеофлавин действительно имеет антибактериальные свойства, но обладает массой недостатков. Он настолько похож на рибофлавин, что из него образуются аналоги производных рибофлавина FMN и FAD. В метаболических путях человека задействованы те же FMN и FAD, что и у бактерий, и не вполне функциональные производные розеофлавина будут вредить энергетическому обмену пациента. Поэтому перед авторами стояла задача найти похожую молекулу, которая обладала бы антибактериальными свойствами розеофлавина, но была бы лишена его недостатков.
Такая молекула нашлась в ходе скрининга 57 тысяч молекул. Проверялось, какие из них будут препятствовать росту бактерий в среде, не содержащей витамина B2. При скрининге было обнаружено единственное вещество, резко тормозящее рост бактерий. Оно было названо рибоцилом.
Затем авторы решили выяснить, каков механизм действия рибоцила. Для этого обычно исследуют штаммы бактерий, устойчивых к антибиотику. Получить такие штаммы удается, выращивая бактерии на дозах антибиотика ниже летальных. Если бы доза антибиотика была высокой, бактерии бы погибли почти сразу, а так они успевают приобрести мутации, некоторые из которых могут сделать бактерию устойчивой. Благодаря присутствию антибиотика, если такая полезная мутация появляется, ей удается сразу же закрепиться, ведь обладающие ею бактерии растут и размножаются гораздо быстрее. Именно поэтому так важно принимать полный курс антибиотиков: уменьшение дозы чревато возникновением резистентной популяции.
Проанализировав несколько резистентных штаммов, авторы обнаружили, что у всех у них мутации находятся в области, кодирующей участок, обеспечивающий переключение FMN переключателя. В подтверждение этих косвенных улик комплексы РНК+рибоцил были кристаллизован и его трехмерная структура подтверждена рентгеноструктурным анализом.
Рибопереключатели кажутся довольно заманчивой мишенью для антибиотиков, поскольку, по-видимому, отсутствую в клетках человека. Поскольку у бактерий они, наоборот, многочисленны, новых антибиотиков тоже может быть сконструировано много. Например, предпринимались попытки создать похожий антибиотик, нацеленный на систему биосинтеза тиаминпирофосфата, производной тиамина, витамина B1.
