Исследователи из Института биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН, МФТИ и ВШЭ провели анализ взаимодействия природного антибиотика низина с его мишенью. Для этого авторы использовали методы молекулярного моделирования. Результаты работы, опубликованные в журнале Scientific Reports, помогут создать эффективные антибиотики нового типа.

Частое использование антибиотиков может привести к быстрому развитию резистентности бактерий к ним. Это, в свою очередь, создает угрозу здоровью людей во всем мире. Поэтому сегодня важно искать и создавать новые классы антибактериальных средств, действующие на различные уязвимые места бактериальных клеток. В микробиологии известны небольшие антимикробные белки — лантибиотики, которые обладают бактерицидным потенциалом.

Наиболее изученный из них — низин — был найден еще до открытия пенициллина. Низин никогда не использовали в клинической практике из-за его нестабильности в организме человека. Однако это соединение широко применяется в качестве пищевого консерванта с 1953 года без каких-либо признаков развития резистентности.

Низин эффективно борется в первую очередь против бактерий с однослойной мембраной. Он также проявляет активность против некоторых двухслойных микробов в сочетании с ионами металлов. Лантибиотик способен уничтожать бактерии, разрушая мембраны и останавливая синтез материала клеточной стенки. Он активно взаимодействует со специфической мишенью в мембране клетки — липидом II. Несмотря на известность и активное использование в пищевой промышленности, механизм антимикробного действия низина на атомном уровне остается невыясненным.

Авторы нового исследования решили исправить эту проблему. Для этого они сначала искали комплексообразующие состояния обеих изолированных молекул в их природной среде. Полноразмерный низин и его N-концевой модуль распознавания поместили в водный раствор, а липид II встроили в модельную бактериальную мембрану. Затем ученые провели дополнительное моделирование для молекул в контрольных средах, в которых ранее проводились эксперименты. Затем авторы смоделировали поведение активной части низина в присутствии аналога «головки» липида II в водном растворе.

«Полученные данные помогли изучить спонтанное образование комплексов и механизм распознавания молекулами друг друга», — поясняет один из авторов, доцент Физтех-школы физики и исследований им. Ландау МФТИ и старший научный сотрудник ИБХ РАН Антон Чугунов.

После этого авторы разработали вычислительную методику «энергии пирофосфатного фармакофора», которая способна легко идентифицировать с помощью молекулярной динамики конформации низина, в которых он может образовывать комплекс с липидом II. На заключительном этапе работы, основываясь на наиболее частых конформациях обеих молекул, исследователи создали предполагаемый комплекс модуля распознавания низина с липидом II в модельной бактериальной мембране. Он оставался стабильным в течение достаточно долгого времени. Оказалось, что низин образует стабильный комплекс с двумя конформациями (состояниями) липида II.