Коллектив ученых из институтов Москвы и Санкт-Петербурга в сотрудничестве с университетом Иллинойса (США) предсказал существование, выделил и охарактеризовал новый антимикробный пептид — клебсазолицин. Вещество принадлежит к группе тиазол-оксазол-модифицированных микроцинов и подавляет синтез белка у бактерий. Структурный анализ рибосомы в комплексе с пептидом показал, что антибиотик блокирует выход новосинтезированного белка из рибосомы, действуя как затычка. В группе микроцинов это первый охарактеризованный пептид с таким механизмом действия. Статья опубликована в журнале Nature Chemical Biology.

Микроцины («маленькие бактериоцины») — это белковые антибиотики, которые бактерии используют для борьбы друг с другом. Особенностью микроцинов является способ их синтеза. Если более традиционные антибиотики синтезируются специализированными ферментами из низкомолекулярных предшественников, то микроцины кодируются обычными генами и производятся как обычные белки, на рибосоме. Однако исходный короткий пептид при этом всегда подвергается сильной модификации, и только после этого превращается в действующее вещество. Существуют, например, микроцины, в которых остатки цистеина, серина и треонина формируют гетероциклы, они называются тиазол-оксазол-модифицированными микроцинами. Другие микроцины образуют петли из пептидной цепочки. Разные микроцины действуют на разные мишени, среди них есть и бактериальная гираза (фермент, необходимый для поддержания структуры ДНК) и РНК-полимераза.

Так как микроцины имеют белковую природу, их последовательность закодирована в геноме. Обычно ген микроцина расположен в одном кластере с генами, кодирующими ферменты для его модификации. По последовательностям этих ферментов можно искать в бактериальных геномах кассеты генов, отвечающих за синтез ранее не известных антимикробных пептидов. Именно такой подход применили исследователи, открывшие клебсазолицин.

Клебсазолицин в рибосоме. Mikhail Metelev et al / Nature Chemical Biology 2017

Ген, кодирующий предполагаемый предшественник микроцина, был найден в составе кластера, обнаруженного в геноме бактерии Klebsiella pneumoniae по гомологии с генным кластером синтеза хорошо изученного микроцина B17 кишечной палочки E. coli. Ученые ввели этот ген и предполагаемые гены микроцин-модифицирующих ферментов в лабораторный штамм E. coli и выделили из ростовой среды биологически активное вещество. Физико-химический анализ показал, что это пептид из 23 аминокислот, из которых первые две замкнуты в цикл. Так как природным продуцентом пептида является Klebsiella, он получил название клебсазолицин.

Тест на противомикробную активность показал, что клебсазолицин подавляет рост нескольких штаммов кишечной палочки, патогенных бактерий Yersinia pseudotuberculosis и самой Klebsiella pneumoniae. Таким образом, пептид обладает довольно узким спектром антибактериальной активности. Однако, как показали авторы работы, это связано не с механизмом действия антибиотика, а скорее всего объясняется недостаточно эффективным транспортом внутрь клетки.

Исследователи определили, что мишенью клебсазолицина является аппарат синтеза белка, а именно рибосома. Чтобы уточнить механизм его действия, авторы работы в сотрудничестве с американскими коллегами при помощи рентгеноструктурного анализа получили структуру работающей рибосомы (то есть в присутствии матричной и транспортных РНК) в комплексе с антибиотиком.

Выходной канал рибосомы без антибиотика (слева) и в присутствии клебсазолицина (справа). Mikhail Metelev et al / Nature Chemical Biology 2017

Оказалось, что клебсазолицин взаимодействует с каналом рибосомы в том месте, откуда выходит новосинтезированный белок и в буквальном смысле затыкает его. Некоторые макролидные антибиотики, например, эритромицин и стрептограмин Б, работают подобным образом. Тем не менее, клебсазолицин — первый представитель в своей группе, который действует по такому механизму, поэтому его выделили в отдельный новый класс ингибиторов синтеза белка.

Функциональный анализ отдельных фрагментов пептида показал, что взаимодействуют с рибосомой только первые 14 аминокислотных остатков, а остальные 9, по-видимому, нужны для проникновения молекулы вещества в клетку. Это означает, что функциональную часть клебсазолицина можно использовать отдельно, в том числе в составе гибридных молекул, более эффективно проникающих в клетки. Сам по себе новый антибиотик скорее всего не будет иметь клинического применения из-за сложностей с проникновением в клетки. По словам одного из авторов статьи, Дмитрия Гилярова, гораздо интереснее открытие самого механизма действия:

«важнее всего то, что речь идет об открытии нового «скаффолда», т.е. основы для рационального дизайна модифицированных аналогов клебсазолицина, которые потенциально могут быть активнее и лучше него самого».

Новая работа российских ученых является результатом направленного поиска генов, относящихся к метаболизму антимикробных соединений, при помощи компьютерного анализа. Недавно мы писали о новом антибиотике, выделенном из природных источников путем проверки большого количества различных веществ на антимикробную активность. А здесь можно почитать большой материал об антибиотиках и устойчивости к ним.

Автор: Дарья Спасская