FAQ: Мембраноактивные антибиотики

Одной из насущных задач биомедицины в настоящее время является проблема устойчивости патогенных бактерий к тем лекарствам, с помощью которых с ними пытаются бороться, то есть это устойчивость к антибиотикам. Проблема известна давно, с тех пор как появились первые антибиотики, и до сих пор она не решена. Люди пытаются найти, разрабатывать новые, более эффективные препараты, которые будут бороться с бактериальными инфекциями, но бактерии не отстают: они научились приспосабливаться и довольно успешно это делают даже по отношению к новым создаваемым лекарственным соединениям.

1. Пути решения этой проблемы

Насколько могут помочь здесь методы компьютерного моделирования? Почему, собственно, о компьютерном моделировании мы говорим? Дело в том, что в последние годы появилось понимание, что бороться с бактериальными инфекциями можно не просто вмешиваясь в процессы функционирования бактерий на уровне генома, регулируя, например, работу ферментативных систем, которые часто используются. Мы знаем, что существует целая большая группа так называемых антимикробных пептидов, которые воздействуют на мембрану бактерии, образуют в ней дефекты, поры, и таким образом мембрана за счет осмотического шока гибнет, из-за того, что исчезает разница в концентрации различных ионов внутри бактериальной клетки и снаружи. Это все традиционные подходы, и академические лаборатории, и фармацевтические компании работают над совершенствованием таких препаратов.

Но, поскольку проблема резистентности остается, необходимо искать новые пути. И один из них заключается в том, чтобы посмотреть, как сами бактерии справляются с этой задачей, потому что в их бактериальной жизни они вынуждены бороться за существование, и живут они не изолированно, а в окружении других штаммов, часто агрессивных и враждебно настроенных к ним. И для борьбы с этими нежелательными соседями бактерии в ходе эволюции выработали целый ряд интересных приемов и синтезируют ряд интересных молекул, на которые, собственно, и необходимо внимательно посмотреть. Эти молекулы действуют очень эффективно и являются очень сильными антибиотиками. Уже довольно давно было известно, что многие бактерии такие соединения вырабатывают, но механизмы действия этих соединений до сих пор во многом непонятны. То есть тут необходимо разбираться на молекулярном уровне, почему эти соединения действуют очень хорошо, а многие из разрабатываемых искусственных лекарственных соединений для борьбы с бактериями действуют либо не очень эффективно, либо бактерии находят возможность к ним приспособиться.

2. О лантибиотиках

Один из проектов нашей лаборатории как раз и связан с тем, чтобы попытаться на компьютере промоделировать процесс поведения вырабатываемых бактериями молекул, которые способны приводить к гибели бактериальных клеток. В качестве объекта исследований мы выбрали так называемые лантибиотики. Это достаточно необычные пептидные соединения, потому что они состоят не только из канонических аминокислотных остатков, которых, как мы знаем, существует двадцать типов, но содержат и довольно сильно модифицированные аминокислотные остатки, химически модифицированные, то есть с нестандартной химической структурой. Часто это кольцевые конструкции, то есть молекула такого лантибиотика представляет собой последовательность из нескольких макроциклов, в отличие от обычных линейных антибактериальных пептидов. Самым известным из лантибиотиков является низин. Это пептидный лантибиотик, который довольно давно уже используется, например, в пищевой промышленности как антибактериальная добавка. Он абсолютно безвреден для человека, но некоторые виды бактерий убивает очень эффективно. Соединение это используется давно, но механизм действия низина на молекулярном уровне до сих пор непонятен. Известно, что мишенью действия лантибиотика низина является так называемая молекула липида-II в составе бактериальной мембраны. То есть он не просто накапливается на бактериальной мембране и образует в ней какие-то дефекты и поры, он специфически и очень эффективно распознает на поверхности бактериальной мембраны нужное ему соединение, которое называется мишенью. Молекулы липида-II как раз и являются такой специфичной мишенью. Молекула лантибиотика связывается с липидом-II и блокирует ее функционирование.

3. О функционировании липида-II и причинах гибели бактерий

Дело в том, что липид-II — это молекула, которая содержит полярную часть, состоящую из двух остатков углевода: небольшого пептидного фрагмента и длинного гидрофобного хвоста, который «заякоривает» эту молекулу в мембране. То есть молекула своей головкой взаимодействует с полярными группами липидов, а ее гидрофобный хвост находится в толще мембраны. Эта молекула участвует в синтезе так называемой клеточной стенки (гликокаликса), перенося ее компоненты с внутренней цитоплазматической поверхности бактериальной мембраны на наружную поверхность. И если нарушить работу липида-II, то бактерия гибнет, потому что она больше не может синтезировать свою клеточную стенку и становится беззащитной.

В наших исследованиях мы постарались понять, как именно молекула лантибиотика распознает свою мишень, липид-II, в бактериальной мембране. Проблема заключается в том, что молекула липида-II окружена большим числом других липидных молекул, которые тоже имеют и заряженные, и полярные группы и по своим свойствам, казалось бы, должны быть близки к молекуле липида-II. Следовательно, надо было выяснить в компьютерном эксперименте, отличается ли чем-нибудь мембрана, в составе которой присутствует мишень, липид-II, от мембраны, в которой такой мишени нет. Экспериментально это сделать пока не представляется возможным. Максимум, что возможно — с помощью атомно-силовой микроскопии получить снимки того, как выглядит мембрана в общих чертах, то есть не на молекулярном уровне. Здесь, по-видимому, речь идет о том, что молекула лантибиотика узнает какие-то особенности, которые имеют молекулярный масштаб. Как было сказано выше, даже самые современные экспериментальные подходы не могут прояснить ситуацию, поэтому на помощь исследователям приходят методы компьютерного моделирования.

4. Как липид-II влияет на мембрану

В нашей лаборатории мы провели большую работу по изучению структуры и динамики мембран, имитирующих мембраны бактерий. В эти модельные мембраны были встроены молекулы изучаемой мишени — молекулы липида-II. И выяснилась удивительная вещь: молекула липида-II действительно сильно меняет свойства окружающей мембраны, меняет локально. Это мы рассчитали на компьютере. Потребовался, конечно, суперкомпьютер, потому что система содержит сотни тысяч частиц и необходимы времена моделирования динамики (сотни наносекунд и микросекунд). К тому же мембрана должна быть гидратирована, потому что молекулы воды тоже сильно влияют на свойства мембраны и на поведение мишени в мембране. Таким образом, в расчетах была использована очень сложная надмолекулярная система. Полученный результат такой: мембрана, в составе которой находится липид-II, ведет себя необычным образом. Вблизи молекулы липида-II наблюдается интересная особенность: она создает вокруг себя область, которая по своим физико-химическим характеристикам отличается от того, что есть в невозмущенной мембране, то есть без мишени. Кроме того, динамика поведения этого липида-II в бактериальной мембране очень необычна, то есть возникают области, холмы и впадины, если образно говорить, вблизи молекулы липида-II. И они по своим гидрофобным и динамическим свойствам сильно отличаются от свободной мембраны.

5. Особенности поведения лантибиотика и мембраны

Когда мы увидели, что в мембране создается такое вот возмущение, причем со вполне специфическими характеристиками и с точки зрения амфифильности, и с точки зрения структуры и динамического поведения, то мы решили, что именно эта особенность мембраны вблизи расположения липида-II является ключевой. Молекулы лантибиотика, которые сами по себе тоже являются амфифильными (то есть в них полярные и неполярные участки разделены в пространстве), распознают липид-II — свою мишень, с которой они должны вязаться, именно на основании этого возникающего в мембране паттерна. Мы пока просто попытались понять, а что же, собственно, необычного в поведении молекулы липида-II и чем отличается мембрана, в которой есть мишень, от той, в которой этой мишени нет. Кроме того, надо было выяснить, как наводятся на цель молекулы лантибиотиков.

6. Перспектива исследований

Следующая задача такая: взять большой набор соединений, подобных лантибиотикам (но более простых в химическом синтезе и меньшего размера, чем природный лантибиотик, чтобы их потом можно было эффективно производить), и посмотреть, как будут так называемые «молекулы-ловушки» — прообразы будущих антибиотиков — связываться со своей мишенью в мембране.

Дальше пойдет процесс оптимизации (усовершенствования) этих ловушек, чтобы достичь наибольшей эффективности, то есть константы связывания (аффинности) и наибольшей селективности. Желательно также, чтобы эти молекулы-ловушки, или будущие лекарства-антибиотики, были селективны по действию, чтобы они убивали лишь определенные патогенные штаммы бактерий, но не трогали другие штаммы, которые могут оказаться полезными.

Но это все впереди. По крайней мере, сейчас понятно, что мы на верном пути, и с первой частью задачи, с тем, что и определяет первичный акт распознавания мишени лантибиотика в мембране, разобрались. Я считаю, что результат очень интересный и будущее также выглядит перспективным. Конечно, речь не идет о том, что через год или два появится на рынке новое антимикробное соединение. Но, по крайней мере, мы разберемся с молекулярными механизмами действия таких новых молекул.