Опасения, связанные с все усиливающейся устойчивостью бактерий к антибиотикам, растут, и ученые спешно ищут новые виды лекарств, чтобы заменить ими ставшие неэффективными. Один из перспективных новых классов молекул, ацилдепсипептиды (acyldepsipeptides, ADEPs), убивает бактерии таким образом, каким этого не делает ни один из имеющихся на рынке антибактериальных препаратов – путем вмешательства в молекулярный путь, используемый клетками для удаления вредных белков.

Более жесткий ключ в замке. Ученые из Университета Брауна
и MIT модифицировали ацилдепсипептиды – ADEPs, – сделав их
более жесткими и способными нарушать биохимию бактерий.
Эти изменения значительно повысили эффективность ADEPs.
(Фото: Sello lab/Brown University)

Исследователи из Университета Брауна (Brown University) и Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology) показали, что изменение в остове молекул ADEPs резко повышает их биологическую активность. Сделав структуру ADEPs более жесткой, ученые получили новые аналоги ADEPs – в 1200 раз более мощные, чем природные молекулы.

Статья об исследовании опубликована в журнале Journal of the American Chemical Society.

«Наша работа очень важна, так как мы наметили и обосновали стратегию повышения эффективности этого перспективного класса потенциальных антибактериальных препаратов», – говорит руководитель исследования Джейсон Селлоу (Jason Sello), профессор химии Университета Брауна. «Синтезированные нами молекулы – одни из самых мощных антибактериальных веществ, о которых когда-либо сообщалось в литературе».

Молекулы ADEPs убивают бактерии, используя уникальный механизм, отличающийся от механизма действия любого из клинически доступных антибактериальных препаратов. Они работают за счет связывания с белком бактериальных клеток, ответственным за удаление из них биохимического мусора. Этот бочкообразный белок, называемый ClpP, разрушает неправильно свернутые или поврежденные белки, способные нанести клетке вред.

Однако связывание ClpP с ADEP снижает его избирательность по отношению к разрушаемым им белкам. Фактически связывание с ADEP делает действия «мусорщика» неконтролируемыми, и он начинает пожирать здоровые белки по всей клетке. Для бактерий такой «взбесившийся» ClpP становится смертельной угрозой.

Первые открытые учеными ADEPs – природные соединения. Некоторые бактерии синтезируют их как средство химической защиты. Но за последние несколько лет ученые, включая группу профессора Селлоу, синтезировали ряд аналогов ADEPs в надежде найти соединения с потенциалом новых лекарственных препаратов.

Один из подходов, которые, по мнению исследователей, могли бы сработать, состоит в том, чтобы сделать молекулу ADEP более жесткой. По сравнению с молекулой ClpP, с которой она взаимодействует, молекула ADEP более гибка.

«Чтобы описать, как малая молекула связывается с белком, мы часто используем выражение «замок и ключ». Не трудно представить себе, что вставить в замок жесткий ключ гораздо легче, чем гибкий. Аналогично жесткие молекулы часто более плотно связываются со своими белковыми мишенями», – комментирует Селлоу.

Он и его коллеги синтезировали несколько новых молекул ADEP, заменив определенные аминокислоты в природных молекулах такими, которые, по их мнению, могли бы повысить жесткость структуры. Чтобы узнать, действительно ли структура новых молекул стала более жесткой, исследователи оценили силу внутримолекулярных водородных связей (более прочные водородные связи означали бы большую жесткость молекулы).

Для этого они поместили молекулы ADEPs в раствор с высоким содержанием дейтерия – водорода, атом которого имеет дополнительный нейтрон. Атомы дейтерия из раствора постепенно замещали атомы водорода в молекулах ADEP. Однако замена на дейтерий происходит медленнее, если атомы водорода в молекуле связаны сильными связями. Таким образом, если в модифицированных ADEPs обмен на дейтерий происходил бы более медленно, это было бы признаком более сильных связей и более жесткой структуры молекулы.

Эксперименты показали, что модифицированные ADEPs обменивают дейтерий в 380 раз медленнее, чем природные – абсолютный показатель большей жесткости молекул.

«Мы были очень рады тому, что довольно простые изменения в структуре ADEP позволили так значительно повлиять на ее жесткость», – говорит Даниэль Карни (Daniel Carney), аспирант профессора Селлоу. «Но что еще более важно, это то, что результаты подтверждают наш принцип конструирования ADEPs. Проверка хорошо продуманной химической теории лабораторными экспериментами всегда приносит результат».

Чтобы подтвердить прогноз, что жесткие ADEPs будут более плотно связывать ClpP, Роберт Зауэр (Robert Sauer) и Карл Шмиц (Karl Schmitz) из MIT сравнили способность аналогов ADEPs и исходного соединения воспроизводить явление «неудержимого удаления мусора» в растворах, содержащих белок ClpP. Эксперименты показали, что модифицированные ADEPs эффективны при значительно более низких концентрациях, что указывало на более высокую эффективность связывания. Модифицированные молекулы связывали ClpP в семь раз лучше стандартных.

На заключительном этапе испытаний ученые проверили эффективность уничтожения жесткими ADEPs бактерий in vitro. Эти эксперименты показали, что, по сравнению со стандартными ADEPs (по данным публикаций), модифицированные соединения были гораздо более эффективны по отношению к трем различным опасным бактериям (в 32 раза по отношению к S. aureus, в 600 раз – E. faecalis, в 1200 раз – S. Pneumoniae).

Профессор Селлоу немного удивлен резким повышением эффективности ADEPs по сравнению с гораздо более скромным повышением эффективности связывания ClpP.

«Мы установили, что самый мощный аналог ADEP связывает ClpP в семь раз лучше, чем исходное соединение, но его антибактериальная активность выше в 1200 раз», – поясняет ученый. «Мы считаем, что в некоторой степени это повышение эффективности может быть связано с тем, что более жесткие ADEPs связывают ClpP более плотно и обладают повышенной способностью проходить через клеточную мембрану. Более высокая способность аналогов ADEP проникать в клетки согласуется с опубликованными данными о том, что молекулы с сильными внутримолекулярными водородными связями делают это особенно хорошо».

Профессор Селлоу и его группа воодушевлены своими результатами и сейчас работают над трансляцией ADEPs в антибактериальные препараты нового поколения. На сегодня эффективность ADEPs против стафилококков, а также других бактерий, вызывающих некоторые формы пневмонии, туберкулез и другие инфекции, доказана in vitro. Следующий этап – эксперименты с целью проверить, насколько хорошо эти соединения работают на мышах, – уже идет.

Оригинальная статья

Restriction of the Conformational Dynamics of the Cyclic Acyldepsipeptide Antibiotics Improves Their Antibacterial Activity