Все мы хотим жить долго и счастливо и болеть как можно меньше. Сейчас, если вы заболели какой-то бактериальной инфекцией, например пневмонией, вам пропишут антибиотики. Так было не всегда: на протяжении истории человечества бактериальные инфекции уносили миллионы жизней. Считается, что бактериальные инфекции унесли больше человеческих жизней, чем все войны, вместе взятые. Можно вспомнить только эпидемию чумы в Средние века — ее недаром назвали черной смертью: она практически опустошила население Европы, унеся десятки миллионов человеческих жизней. Сейчас, к счастью, эти ужасы отошли в прошлое, потому что в XX веке были открыты небольшие химические соединения, которые называются антибиотиками. Откуда они берутся и как действуют?
За исключением нескольких синтетических антибиотиков, которые делают в лаборатории, большинство антибиотиков сделаны живыми существами. Все, наверное, помнят, что пенициллин делается плесневым грибом, но большинство антибиотиков делается не грибами, а бактериями. Антибиотики действуют на бактерии, убивая их. Зачем же бактериям производить яд, который потенциально может их убить? Дело в том, что они конкурируют друг с другом за экологическую нишу, за ограниченные ресурсы, и в этой конкурентной борьбе бактерии ― продуценты антибиотиков используют своеобразное химическое оружие — это и есть антибиотики, при этом они травят своих соседей. И если концентрация антибиотика не достигает достаточной величины, чтобы убить соседние бактерии, то даже слегка подтравленные соседи оказываются менее эффективными в размножении, и продуцент получает преимущество.
Почему антибиотики действуют на бактерии, убивая их, но не действуют на наши с вами клетки? Строго говоря, это не совсем так, потому что известно довольно много антибиотиков, которые будут действовать и на бактерии, и на нас с вами, и они не применяются в клинической практике. К счастью для нас, есть антибиотики, которые действуют только на бактерии. У каждого антибиотика в бактериальной клетке есть какая-то мишень — это молекулярная машина, либо состоящая из белков, либо более сложная, состоящая из белков и РНК. Какие молекулярные машины могут быть мишенями антибиотиков? Во-первых, эти машины должны быть важны для бактериальной клетки, она не должна обходиться без этих молекулярных машин.
Первая мишень — это аппарат синтеза клеточной стенки. У бактерии есть клеточная стенка, достаточно жесткая, сделанная из полисахаридов, которые сшиты небольшими пептидами. У наших с вами клеток такой стенки нет, это исключительно бактериальное изобретение. Целая группа антибиотиков не дает бактериям синтезировать клеточную стенку. Так действуют, например, пенициллин и его производные, а также более новый относительно пенициллина антибиотик — ванкомицин.
Следующая частая мишень антибиотиков ― это фермент, который называется ДНК-гираза. Он действует на ДНК бактерии. Дело в том, что ДНК очень большая, а бактериальная клетка очень маленькая, поэтому ДНК должна быть плотно свернута, чтобы она могла поместиться в бактериальную клетку. ДНК-гираза помогает сворачивать компактно ДНК, и, кроме того, она нужна, чтобы способствовать расхождению цепей двухцепочечной ДНК. Этот процесс нужен для копирования ДНК в ходе репликации, а также для транскрипции, то есть считывания генов при работе генов. На ДНК-гиразу действует природный антибиотик налидиксовая кислота и ее синтетические собратья фторхинолоны, которые часто применяются. Сам аппарат считывания генов, транскрипции — РНК-полимераза — тоже является мишенью некоторых антибиотиков, например рифампицина.
Наконец, мишенью разнообразного семейства антибиотиков является аппарат биосинтеза белка бактерий. В бактериях (да и вообще в любых живых организмах) белки синтезируются специальной очень крупной молекулярной машиной, которая состоит из РНК и белков и называется рибосомой.
Как антибиотики действуют на свои мишени? В структуре мишени существуют полости определенной геометрической формы. Антибиотики созданы таким образом, чтобы узнавать эти полости и в них встраиваться. Молекулярные машины, когда работают, с чем-то взаимодействуют в клетке, у них также есть какие-то двигающиеся части. Антибиотики, встраиваясь в маленькую полость молекулярной машины, мешают ее работе. Например, встраивание антибиотика может мешать чему-то связаться с молекулярной машиной. Как если бы хулиганы портили замок, вставляя туда спичку, и тогда ключ в замок уже не мог бы войти. Таким образом действуют некоторые антибиотики, например, тетрациклин. Он связывается с рибосомой и не дает транспортной РНК — это молекула, приносящая аминокислоту, которую нужно включить в белок — связаться с рибосомой.
Другие антибиотики не мешают взаимодействию чего-либо с молекулярными машинами, а, наоборот, делают это взаимодействие избыточно сильным. Как если бы в замочную скважину налить клей, и ключ бы там прилип. Так действует антибиотик амикумацин. Его механизм действия мы исследовали в нашей группе в МГУ совместно с несколькими коллективами как в нашей стране, так и за рубежом.
Антибиотики могут заставлять молекулярные машины делать ошибки. Иногда это более важно и более пагубно для молекулярных машин, для клетки, чем просто останавливать работу молекулярной машины. Дело в том, что антибиотики бывают бактериостатические и бактерицидные. Бактериостатические ингибируют рост бактерий, и если мы уберем антибиотик, то бактерии начнут расти дальше. Бактерицидные убивают бактериальную клетку, и, если мы уберем антибиотик, она не продолжит рост. Часто бывает так, что антибиотики, которые останавливают работу какой-то молекулярной машины, являются бактериостатическими, а те, которые заставляют молекулярные машины ошибаться, делают неправильные продукты, с которыми бактериальная клетка справиться не может. Всё в бактериальной клетке, видимо, идет наперекос, и она от этого умирает.
К несчастью, бактерии вырабатывают устойчивость к антибиотикам. Отчасти это обусловлено тем, что продуценты антибиотиков в природе защищены от действия того, что они делают, специальными генами. Эти гены могут приобретаться патогенными бактериями, что является одним из механизмов устойчивости.
Какие бывают эти механизмы? Самый первый, самый очевидный механизм устойчивости ― если в генах, которые кодируют мишень антибиотика, возникли мутации. Там, где антибиотик связывался, возникает другая структура, слегка измененная, и антибиотик связаться уже не может. При всей очевидности такого механизма у него есть некоторые подводные камни. Мы знаем, что антибиотик связывается с чем-то очень важным в своей мишени. Если бы он связывался где-то сбоку, в неважном для функционирования участке, он бы не действовал. Так вот, мутации в активном центре молекулярных машин тоже будут понижать их эффективность, то есть у мутации устойчивости будет некая цена. Это неудобство, которое бактерия вынуждена терпеть ради защиты от антибиотика. Кроме того, некоторые мишени достаточно трудно мутировать, например рибосомные РНК. Дело в том, что они закодированы в нескольких одинаковых копиях генов: у кишечной палочки, наиболее известной бактерии, семь генов, кодирующих рибосомные РНК, поэтому мутация теоретически должна возникнуть в семи генах одновременно, но это крайне маловероятно.
Еще одним механизмом устойчивости служит синтез насосов, который активно выкачивает антибиотик из бактериальной клетки. И возможны ферменты, которые либо портят сам антибиотик (например, разрезают его или присоединяют к нему что-то ненужное), либо могут модифицировать мишень антибиотика, встраивая маленькую химическую группу, чтобы место оказалось занятым и антибиотик связаться уже не мог.
Сейчас бывает, что антибиотик применяется в смеси с веществом, которое ингибирует, подавляет один из механизмов устойчивости. Пока это все-таки редкость, но в будущем такая комбинированная атака и антибиотика, и механизма устойчивости будет применяться все чаще и чаще.
В нашей работе мы изучаем процесс модификации рибосомы, которая синтезирует белки. И некоторые ферменты модифицируют рибосому, в том числе для того, чтобы защитить ее от антибиотиков. Дело в том, что есть ферменты, про которые мы точно знаем, от каких антибиотиков они защищают бактериальную клетку. Но есть множество ферментов, про которые мы ничего не знаем: какова их мишень, для чего они в бактериальной клетке. Одной из задач нашей группы является изучение таких ферментов и, возможно, поиск тех антибиотиков, от которых они могли бы защитить бактериальную клетку.
