Американские ученые разработали метод поиска и синтезирования антибиотиков, который не требует культивирования бактерий и искусственной экспрессии генов. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Chemical Biology.

Антибиотики — природные или полусинтетические вещества, подавляющие рост живых клеток. Часто их действие основано на нерибосомальных пептидах — ферментах, которые производятся самими бактериями и могут синтезировать короткие пептиды без участия матричной РНК (мРНК). Поиск новых нерибосомальных пептидов и, как следствие, создание новых антибиотиков затрудняются тем, что большинство бактерий не культивируется в лабораторных условиях. И даже при успешном культивировании многие их гены, связанные с выработкой нужных веществ, остаются неактивными.

Ученые из Рокфеллеровского университета разработали метод, который позволяет синтезировать новые нерибосомальные пептиды без культивирования бактерий. На первом этапе авторы проанализировали базы данных геномов «человеческих» бактерий и с помощью пакета antiSMASH определили кластеры генов, связанные с выработкой «полезных» ферментов. После предсказания их структуры исследователи выделили 57 кластеров генов и сократили их число до 30. Наконец методом твердофазного пептидного синтеза они получили 25 химических соединений, потенциально способных выполнять функции антибиотиков.

Схема метода. / © John Chu et al., Nature Chemical Biology, 2016

Полученные соединения тестировались на 23 видах патогенов человека, включая некоторые стафилококки (Staphylococcus), кишечную палочку (Escherichia coli) и коринебактерию амиколатум (Corynebacterium amycolatum) — возбудителя сепсиса. На основе чувствительности микроорганизмов к препарату авторы идентифицировали два антибиотика, получившие название хьюмимицин A и хьюмимицин B. Оба соединения оказались продуктом бактерий Rhodococcus erythropolis, которые в норме являются частью микробиоты человека. Традиционные методы не позволяли выделить этот фермент.

Последующий анализ показал, что хьюмимицины наиболее эффективны против стрептококков (Streptococcus) и стафилококков, в том числе метициллинрезистентного золотистого стафилококка (S. aureus). Работа пептида основана на ингибировании ферментов, необходимых микроорганизмам для синтеза клеточных стенок — в результате процесс прерывается и бактерия погибает. Аналогичный механизм используют бета-лактамные антибиотики — широкий круг препаратов, в том числе пенициллиного ряда, которые назначаются при лечении большинства инфекций. Однако к ним устойчивы некоторые патогены.

Механизм работы различных антибиотиков. / © John Chu et al., Nature Chemical Biology, 2016

Эффективность нового антибиотика ученые проверили на культуре бактерий, а затем in vivo — на мышах, инфицированных метициллинрезистентным S. aureus. Несмотря на устойчивость к бета-лактамам, стафилококк оказался чувствителен к сочетанию бета-лактамов с хьюмимицином А (отдельно он развивал незначительные эффекты). По словам исследователей, оба соединения прерывают различные этапы одного молекулярного процесса. Соавтор работы Шон Брэди (Sean Brady) сравнил действие препаратов с «передавливанием шланга сразу в двух местах», что позволяет если не остановить, то сократить скорость протекающих процессов.

Ученые надеются, что предложенный подход поможет в разработке новых антибиотиков, в частности способных остановить самые устойчивые патогены. Метод также может применяться для изучения бактерий, которые не являются частью человеческого микробиота, а в перспективе — и бактерий, геном которых еще не отсеквенирован.