Ученые установили, что способность бактериальных клеток поддерживать количество рибозы — сахара, входящего в состав РНК и ДНК, — на уровне физиологической нормы определяет их чувствительность к широкому спектру антибиотиков, используемых в клинической практике. Синтез рибозы происходит в пентозофосфатном пути, который позволяет клетке тонко регулировать ее количество в зависимости от наличия питательных веществ и воздействия стрессовых факторов. Оказалось, что мутации по генам двух ферментов этого пути лишают клетку возможности регулировать количество рибозы, что приводит к резкому росту чувствительности бактерий к антибиотикам. Полученные данные открывают возможность разработки комбинированных препаратов для борьбы с патогенами с лекарственной устойчивостью. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале mBio.
С начала использования антибиотиков в медицине прошло почти сто лет, и за этот продолжительный период такие препараты помогли спасти миллионы человеческих жизней. Однако широкое применение антибиотиков способствовало эволюции защитных механизмов, которые позволяют бактериям выжить под действием этих лекарств. В настоящий момент ученые понимают, что необходимо принципиально изменить подход к борьбе с устойчивыми патогенами. При этом повысить эффективность противомикробной терапии можно, только зная, как меняется метаболизм (обмен веществ) бактерий под действием различных антибиотиков.
Исследователи из Института молекулярной биологии имени В. А. Энгельгардта РАН (Москва), Медицинской школы Нью-Йоркского университета (США) и Медицинского института Говарда Хьюза (США) установили, что «ахиллесовой пятой» для бактериальной клетки является синтез рибозо-5-фосфата (рибозы). Этот сахар участвует в формировании скелетов РНК и ДНК и необходим для нормального роста и деления клетки.
Синтез рибозы претерпел длительную эволюцию, в результате которой из однонаправленного каскада реакций этот биохимический процесс превратился в своего рода цикл — пентозофосфатный путь. На первом этапе, используя в качестве источника питания глюкозу, клетка синтезирует рибозу для строительства генома и синтетического аппарата. Вся неизрасходованная рибоза на втором этапе возвращается в центральный метаболизм и тратится на другие цели. Таким образом пентозофосфатный путь выступает сенсором, который соотносит потребности клетки с интенсивностью роста, не допуская перерасхода ценных соединений.
В работе в качестве модельного микроорганизма авторы использовали кишечную палочку Escherichia coli. С помощью методов генной инженерии ученые получили три группы бактерий. В первой был удален ген, выключающий первый этап пентозофосфатного пути. Во второй группе был инактивирован второй этап этого пути. Третья группа бактерий несла сочетание первой и второй мутаций, что полностью видоизменило синтез рибозы в этих клетках, сделав его похожим на «первобытный» однонаправленный биосинтез, который до сих пор остался у архей (безъядерных организмов, эволюционно отличных от бактерий), некоторых представителей микрофлоры кишечника, а также растений.
Оказалось, что ни один из вариантов нарушения пентозофосфатного пути не повлиял на скорость роста бактерий, так как клетка способна «переключаться» с одного способа синтеза рибозы на другой. Однако по сравнению с исходными клетками без мутаций у бактерий с нарушенным первым этапом возникла чувствительность к гентамицину, цефотаксиму, эритромицину и рифампицину — антибиотикам, активно использующимся для лечения бактериальных инфекций. При выключении обоих этапов пентозофосфатного пути в присутствии антибиотиков выжил лишь 1% бактерий.
Исследователи установили, что повышенная чувствительность мутантных бактерий к антибиотикам связана с избыточным накоплением в их клетках рибозы. Дополнительные генетические модификации, позволяющие более интенсивно расходовать рибозу, восстанавливали у микроорганизмов с нарушенным пентозофосфатным путем устойчивость к антибиотикам. Таким образом, общий метаболический «иммунитет» бактерий оказался зависимым от процессов синтеза и расхода рибозы. Следовательно, искусственное повышение внутриклеточного количества рибозы может использоваться для преодоления антибиотикорезистентности.
«Мы предполагаем, что воздействие на ферменты пентозофосфатного пути, а также на процессы, связанные с использованием рибозы в клетке, позволит разработать новые терапевтические средства, направленные на повышение эффективности клинически значимых противомикробных препаратов. В дальнейшем мы планируем исследовать роль рибонуклеозидов — предшественников структурных звеньев цепи РНК на основе рибозы — как потенциальных модуляторов чувствительности бактерий к антибиотикам», — рассказывает участница проекта, поддержанного грантом РНФ, Татьяна Серегина, старший научный сотрудник лаборатории генетической регуляции метаболических процессов Института молекулярной биологии РАН.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
