Мультирезистентные бактериальные патогены, нечувствительные практически ко всем доступным антибиотикам, являются одной из основных проблем общественного здравоохранения нашего времени. Вопрос о том, как развивается устойчивость к различным антибиотикам, находится в центре внимания исследований, проводимых Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) в Мюнхене биохимиком Даниэлем Уилсоном и его коллегами. Как они сообщают в журнале Molecular Cell, он и его команда использовали криоэлектронную микроскопию с высоким разрешением, чтобы получить новое представление об ультраструктурных изменениях внутриклеточного аппарата, связанных с приобретением устойчивости к антибиотику эритромицину. «Лучшее понимание этого механизма — важный шаг на пути к разработке новых и более мощных антибиотиков», — говорит Уилсон.Эритромицин нацелен на бактериальные рибосомы — наномашину, отвечающую за трансляцию последовательностей матричной РНК (мРНК) в белок — таким образом предотвращая синтез белков, необходимых для продолжения роста и выживания.
Бактерии могут стать устойчивыми к антибиотику либо в результате спонтанной мутации, либо в результате улавливания соответствующего «гена устойчивости» (который кодирует белок, придающий устойчивость) от другой бактерии посредством генетического обмена. Однако, как объясняет Уилсон: «Гены, необходимые для устойчивости, часто активируются только тогда, когда это необходимо (т.е. когда антибиотик присутствует в окружающей среде), и так называемые лидерные или сигнальные пептиды играют важную роль в этом процессе».
Лидерные пептиды регулируют экспрессию нижележащего гена устойчивости в ответ на присутствие лекарственного средства. Когда лекарство присутствует, оно связывается в туннеле рибосомы и взаимодействует с транслирующимся лидерным пептидом, останавливая синтез белка.
Индуцированная лекарством задержка позволяет изменить структурную конформацию мРНК, что, в свою очередь, демаскирует сайт связывания рибосомы ниже по течению, что позволяет транслировать нуклеотидную последовательность, которая кодирует сам фактор устойчивости.Различные способы склеивания работ «Как именно взаимодействие между антибиотиком и лидерными пептидами происходит на структурном уровне, вызывая остановку рибосомы, остается неясным», — говорит Уилсон. Ранее исследователи показали, что сигнальный пептид, кодируемый мРНК ermBL, не взаимодействует напрямую с эритромицином.
Вместо этого сигнальный пептид принимает определенную конформацию в присутствии антибиотика, который блокирует и ингибирует активный центр рибосомы, тем самым обеспечивая преждевременную остановку. «Поскольку помимо лидера ErmBL существуют и другие сигнальные пептиды, нам было интересно выяснить, используют ли они тот же самый механизм или имеют разные способы действия», — объясняет Уилсон. В своем новом исследовании исследователи воспользовались недавним технологическим прорывом: «Благодаря использованию нового детектора мы смогли увеличить разрешение наших структур с 4,5 А до 3,5 А, что делает видимыми ранее скрытые детали», — говорит Уилсон.
Новый анализ показал, что лидерный пептид ErmCL использует совершенно другой механизм, чтобы сигнализировать о присутствии антибиотика. В отличие от своего аналога ErmBL, сигнальный пептид ErmCL напрямую взаимодействует с антибиотиком. Как следствие, в определенный момент во время трансляции конформация активного сайта рибосомы искажается таким образом, что дальнейшее удлинение растущего пептида становится невозможным. Уилсон убежден, что глубокое понимание таких механизмов чувствительности к антибиотикам будет стимулировать разработку более эффективных антибиотиков в будущем.
Теперь он и его группа планируют еще больше повысить разрешение, достигаемое с помощью их криоэлектронного микроскопа, а затем будут использовать его для исследования структур рибосом, которые были остановлены другими химическими агентами.