Ученые обнаружили механизм уничтожения бактерий, который может изменить борьбу с устойчивыми к антибиотикам бактериями

Эволюция подсказывает учёным новый путь в борьбе с устойчивыми к антибиотикам инфекциями

В невидимой глазу войне, которая длится миллиарды лет, вирусы, атакующие бактерии, возможно, раскрыли главную уязвимость своих врагов. Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) обнаружили, что несколько неродственных вирусов независимо друг от друга нашли способ выводить из строя ключевой белок, необходимый для строительства бактериальной стенки. Это открытие, опубликованное в журнале Nature 26 февраля, может указать путь к созданию принципиально нового класса антибиотиков.

Невидимая угроза и устаревшее оружие

Проблема устойчивости бактерий к антибиотикам сегодня признаётся одним из самых серьёзных вызовов для здравоохранения. Бактерии эволюционируют с пугающей скоростью, адаптируясь к существующим препаратам.

«Эволюция — мощная сила, и у бактерий устойчивость к антибиотикам развивается быстро, — объясняет Бил Клемонс, профессор биохимии и руководитель исследования. — Это означает, что сегодня мы имеем дело с бактериями, устойчивыми ко всем имеющимся у нас лекарствам. Только в США десятки тысяч людей ежегодно умирают от инфекций, вызванных такими супербактериями, и это число быстро растёт. Нам нужны новые антибиотики, чтобы бороться с этим».

Поскольку старые препараты перестают действовать, учёные вынуждены искать совершенно новые, ранее не использовавшиеся мишени в бактериальной клетке.

Ахиллесова пята: уникальная броня бактерий

Одним из самых перспективных направлений всегда был процесс создания пептидогликана — жёсткого материала, из которого состоит клеточная стенка бактерии. Этот путь биосинтеза привлекателен тем, что пептидогликан встречается только у бактерий и отсутствует в клетках человека, что делает его идеальной мишенью для лекарств, не наносящих вреда организму пациента.

Некоторые из самых известных антибиотиков, такие как пенициллин и амоксициллин, уже воздействуют на этот процесс, но блокируют они лишь поздние стадии сборки стенки. Ключевые же этапы транспортировки «строительных блоков» через внутреннюю мембрану клетки оставались неуязвимыми для существующих препаратов.

Три белка — MraY, MurG и MurJ — играют в этом процессе центральную роль. Они отвечают за перемещение компонентов будущей стенки наружу. Если хотя бы один из них даёт сбой, строительство останавливается, и бактерия погибает.

«Мы знаем, что можем найти малые молекулы — природные или синтезированные, — которые будут подавлять эти белки, — отмечает Клемонс. — И, что особенно интересно, недавние открытия показали, что бактериофаги уже научились атаковать этот путь».

Тюремщики, ставшие ключами

Бактериофаги, или просто фаги, — это вирусы, которые заражают бактерии. Их жизненный цикл требует проникновения в клетку, размножения и выхода наружу для атаки новых целей. Именно на этапе выхода фаги сталкиваются с прочной, похожей на кольчугу стенкой пептидогликана, которая может стать ловушкой.

Лаборатория Клемонса изучает малые фаги, геном которых состоит из одноцепочечной ДНК или РНК. Эти вирусы с компактным геномом используют простые, но эффективные стратегии уничтожения хозяина. В 2023 году команда уже сообщала о результатах исследования фага φX174. Теперь же в центре внимания оказались особые белковые молекулы, которые фаги используют как оружие, — single-gene lysis proteins, или Sgl (произносится как «сигил»).

Аспирантка Янчэн Эвелин Ли и профессор Клемонс сосредоточились на Sgl, которые атакуют белок MurJ. Ранее работы коллег показали, что два неродственных Sgl — SglM и SglPP7 — убивают бактерии, блокируя именно этот белок.

MurJ функционирует как флиппаза — он переносит предшественники пептидогликана изнутри клетки наружу, где они встраиваются в растущую стенку. Используя криоэлектронную микроскопию, Ли смогла увидеть, как именно вирусные белки это делают.

Моментальный снимок смерти

Флиппазы работают как челноки: они захватывают груз внутри клетки, меняют свою форму, открываясь наружу, и высвобождают молекулу по ту сторону мембраны. Исследование показало, что SglM и SglPP7 прикрепляются к специальному желобку на MurJ, когда тот находится в открытой наружу конформации, и намертво фиксируют его в этом положении.

«Очевидно, что оба этих Sgl связываются с MurJ в конформации, обращённой наружу, блокируя его в этой позиции», — объясняет Ли.

Это открытие обнадёживает исследователей ещё и потому, что открытая наружу форма MurJ больше доступна для взаимодействия с потенциальными лекарствами, чем та, что спрятана внутри мембраны.

Эволюция указывает путь

Но самым удивительным для научной группы стало то, что два разных пептида, не имеющие эволюционного родства, пришли к одному и тому же решению.

«Эти пептиды не имеют никаких эволюционных связей друг с другом, но оба нашли способ нацелиться на MurJ очень похожим образом, — говорит Клемонс. — Это два примера конвергентной эволюции, когда разные эволюционные пути приводят к одному и тому же результату. Мы были удивлены!»

Учитывая высокую скорость эволюции вирусов, команда предположила, что подобных механизмов должно быть больше. Фаги относительно легко выделить, а изучение их геномов способно открыть новые биологические механизмы и мишени для антибиотиков.

В рамках опубликованной работы исследователи проанализировали геном ещё одного фага под названием Changjiang3. Они идентифицировали новый белок — SglCJ3, определили его структуру в связке с MurJ и снова увидели ту же картину: вирусный пептид фиксировал белок бактерии в открытой наружу конформации.

«Это третий геном, в котором эволюционировал отдельный пептид, чтобы ингибировать ту же мишень тем же способом, — подчёркивает Клемонс. — Это первое убедительное доказательство того, что эволюция определяет MurJ как отличную мишень для уничтожения бактерий. А значит, нам стоит последовать примеру эволюции и разрабатывать лекарства, нацеленные именно на MurJ».

Это открытие демонстрирует, как фундаментальные исследования в области биологии могут решать практические задачи медицины. Учёные намерены продолжать изучение Sgl, надеясь превратить эти природные механизмы в реальные терапевтические средства против устойчивых инфекций.

Механизм в деталях: как вирусный ключ ломает бактериальный замок

Чтобы понять значение открытия, необходимо подробнее рассмотреть, как именно устроена работа белка MurJ и каким образом вирусные пептиды её нарушают. MurJ относится к классу транспортёров, которые биологи называют «флиппазами». Его задача — переворачивать молекулы липида II, связанного с предшественником пептидогликана, с внутренней стороны мембраны на внешнюю. Этот процесс жизненно важен: без выноса строительных блоков наружу клетка не может расширять свою стенку и в конечном итоге погибает из-за осмотического давления.

Работа MurJ напоминает движение насоса или вращающейся двери. Белок попеременно принимает две основные конформации: открытую внутрь (чтобы захватить груз) и открытую наружу (чтобы его выпустить). Используя криоэлектронную микроскопию, исследователи смогли зафиксировать трёхмерные структуры комплексов MurJ с вирусными белками Sgl с высоким разрешением.

Оказалось, что SglM, SglPP7 и SglCJ3 действуют по единому принципу: они встраиваются в щель на поверхности MurJ, которая доступна только тогда, когда белок находится в фазе «открыто наружу». Закрепляясь в этом положении, они действуют как клин, не позволяющий MurJ вернуться в исходное состояние или завершить цикл транспортировки. В результате белок застывает в одной позе, конвейер по доставке стройматериалов останавливается, и бактерия оказывается беззащитной перед собственной внутренней средой.

Конвергентная эволюция: природа повторяет удачное решение

Феномен, обнаруженный группой Клемонса, является классическим примером конвергентной эволюции. В природе это явление встречается часто: крылья птиц, летучих мышей и насекомых развились независимо, но служат одной цели — полёту. Здесь же учёные столкнулись с тем же процессом на молекулярном уровне.

Три разных вирусных белка, закодированных в трёх разных фаговых геномах, не имеющих общего происхождения, нашли одну и ту же мишень и выработали идентичный механизм атаки. Это не случайность, а мощный сигнал для исследователей. Эволюция — самый длительный и безжалостный естественный эксперимент — уже подтвердила эффективность воздействия на MurJ. За миллионы лет методом проб и ошибок фаги «вычислили» самое слабое место в обороне бактерии.

«Вирусы эволюционируют быстро, и тот факт, что мы находим всё новые примеры одних и тех же решений, говорит о том, что MurJ — это, вероятно, одна из самых уязвимых точек бактериальной клетки, — комментирует Эвелин Ли. — Это всё равно что найти в крепостной стене место, которое всегда обрушивается при осаде, независимо от того, с какой стороны подходят войска».

От фундаментальной науки к фармацевтике

Полученные данные открывают перед учёными практическую перспективу. Традиционные методы поиска антибиотиков часто напоминали игру вслепую: исследователи проверяли тысячи соединений в надежде найти те, которые убивают бактерии, не всегда понимая точный механизм действия. Теперь же у них есть чётко обозначенная цель — белок MurJ в его открытой наружу конформации.

Поскольку структура мишени известна с высоким разрешением, начинается следующий этап: разработка малых молекул, которые могли бы имитировать действие вирусных пептидов. Идеальный препарат будущего должен связываться с тем же участком MurJ, что и Sgl, и так же надёжно блокировать его подвижность.

Преимущество такого подхода в том, что мишень находится на внешней стороне мембраны, что облегчает доступ для лекарства. Кроме того, учитывая эволюционную значимость MurJ, можно надеяться, что бактериям будет сложнее выработать устойчивость к препаратам, воздействующим на этот белок: любые мутации, меняющие форму сайта связывания, могут нарушить собственную жизненно важную функцию MurJ.

Следы в геномах: охота за новыми Sgl

Команда из Caltech не собирается останавливаться на достигнутом. Убеждённость в том, что природа хранит ещё много подобных секретов, подталкивает их к расширению поиска. Фаги — одни из самых многочисленных биологических объектов на планете, и их генетическое разнообразие колоссально. Каждый новый фаг, особенно те, что обитают в экстремальных условиях или атакуют проблемные с медицинской точки зрения бактерии, может нести в себе уникальный Sgl.

Анализ геномных баз данных уже позволил найти третий пример — SglCJ3 из фага Changjiang3. Учёные полагают, что это лишь верхушка айсберга. Используя современные методы биоинформатики и структурной биологии, они надеются составить целую библиотеку вирусных «киллерных» белков, нацеленных на разные этапы биосинтеза клеточной стенки. Каждый такой белок — это не только потенциальный прототип лекарства, но и тонкий инструмент для изучения самой бактериальной клетки.

«Это демонстрирует силу фундаментальной биологии в решении медицинских проблем, — резюмирует Бил Клемонс. — Наш путь определён: мы будем использовать открытие Sgl для создания новых терапевтических средств. Мы надеемся на продолжение поддержки, чтобы превратить эти концепции в реальность».

В эпоху, когда супербактерии становятся одной из главных угроз здоровью человечества, учёные обращаются за помощью к древнейшим врагам бактерий — вирусам. И, судя по всему, вирусы готовы поделиться своими секретами.