Появление бактерий, устойчивых к антибиотикам, ― одна из самых серьезных проблем современной медицины. Синтез новых антибиотиков, в целом аналогичных уже существующим, не решает проблему, а лишь откладывает ее. Со временем бактерии адаптируются к новому веществу, и работу нужно начинать заново. Для устойчиво успешной борьбы с бактериальными инфекциями необходим принципиально новый подход. Одним из возможных вариантов в этом случае являются препараты, действующие по механизму бактериофагов ― вирусов, поражающих бактерии. Сами бактериофаги напрямую не используются как лекарственные препараты, однако они могут оказать серьезную помощь в создании лекарств. По образу и подобию белков бактериофагов, поражающих бактерию, могут быть созданы синтетические эффективные аналоги. Но для этого необходимо пройти большой путь ― установить структуру такого белка (что само по себе является весьма нетривиальной задачей), а также объяснить механизм его действия на бактериальную клетку.
Proceedings of the National Academy of Sciences публикует работу, посвященную изучению структуры и свойств белка, способного убить клетку туберкулезной палочки.
Механизм действия изученного белка следующий. При заражении бактерии Escherichia coli действующим на нее бактериофагом ― T7 ― происходит ингибирование (блокирование действия) РНК-полимеразы организма-хозяина. РНК-полимераза ― это сложный фермент, ответственный за транскрипцию генов. Транскрипция ― процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы. В ходе транскрипции генетическая информация с ДНК переносится на РНК. Затем эта кодированная РНК участвует в трансляции ― синтезе белка из аминокислот на матрице РНК. Без синтеза белка не может существовать ни один живой организм. Таким образом, блокировка процесса транскрипции блокирует жизнедеятельность организма, в данном случае бактериальной клетки.
Но ингибитором РНК-полимеразы является, по сути, не сам бактериофаг, а кодируемый им белок (в данном случае он называется Gp2). В данной работе с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР) была изучена структура Gp2. Это позволило выделить специфические аминокислоты, которые непосредственно связываются с РНК-полимеразой и блокируют ее работу.
Об основных итогах исследования и планах на дальнейшую работу корреспонденту «Газеты.Ru» рассказал один из ее авторов, Константин Северинов, доктор биологических наук, заведующий лабораториями Института молекулярной генетики РАН и Института биологии гена РАН, профессор Университета Ратгерса (США).
― Какова история вашей работы и в чем ее принципиальная новизна?
― Исследование вирусов бактерий ― бактериофагов ― имеет длинную историю. Они были открыты еще во время Первой мировой войны.
Было показано, что эти вирусы способны очень эффективно уничтожать бактерии, и первооткрыватели бактериофагов сразу же осознали их потенциал как терапевтических агентов.
Действительно, бактериофаги потенциально более эффективны, чем антибиотики. Однако по ряду причин бактериофаги оказались непригодными как лекарства или, по крайней мере на Западе, широко не использовались. Тем не менее современная молекулярная биология в значительной степени построена именно на результатах, полученных при изучении бактериофагов. Современные структурные методы исследования дают возможность детально изучать различные аспекты взаимодействия бактериофагов и бактерий-хозяев на различных стадиях инфекции. Полученные фундаментальные знания позволяют по новому подойти к проблеме использования бактериофагов как терапевтических средств. Основная идея ― использовать для борьбы с бактериями не сами бактериофаги, а кодируемые ими белки, токсичные для бактериальной клетки. Большинство бактериофагов кодируют белки, атакующие и блокирующие работу бактериальной РНК-полимеразы, главной молекулярной машины, обеспечивающей работу генов бактерии. В нашей работе мы впервые определили структуру белка-ингибитора РНК-полимеразы, кодируемого бактериофагом Т7. Мы показали, как этот белок связывается с РНК-полимеразой, и объяснили, почему связывание приводит к ингибированию фермента-хозяина.
― Какова практическая значимость вашей работы?
― В конечном счете на основании наших данных, возможно, будет создан принципиально новый терапевтический препарат против ряда бактериальных заболеваний, включая такой социально значимый недуг, как туберкулез.
Дело в том, что изученный нами белок действует на тот же фермент (РНК-полимеразу), на который действует антибиотик рифампицин, весьма распространенное лекарство против туберкулеза. Сейчас все чаще появляются штаммы туберкулезных палочек, устойчивых к этому препарату, что создает большие проблемы для здравоохранения. Изучая детали взаимодействия белка-ингибитора бактериофага с РНК-полимеразой на молекулярном уровне, мы сможем «спроектировать» химические соединения, которые связываются с этим ферментом и ингибируют его подобно белку бактериофага. Такие препараты будут эффективны против бактерий, устойчивых к рифампицину, так как места связывания рифампицина и фагового белка на молекуле РНК-полимеразы различаются.
― Авторы работы ― международный коллектив. Как проводилось это исследование?
― Наша работа ― результат международного сотрудничества, как и любая крупная научная разработка сейчас. Сотрудничеству с группой британских ученых из Imperial College London уже более 10 лет. Я и мои аспиранты, вовлеченные в эту работы, работаем как здесь, в России, так и в США, а работа поддерживается рядом британских, американских и российских грантов.
