Ученые расшифровали механизм действия природного антибиотика, который выделяют живущие в почве бациллы. Вещество макролактин А известно антимикробным, противовоспалительным и противоопухолевым действием более 30 лет, однако только сейчас стало известно, что оно замедляет рост болезнетворных микроорганизмов, блокируя производство белков в их клетках. Результаты исследования будут полезны при разработке безопасных биологических препаратов для защиты сельскохозяйственных растений, а также новых лекарств от инфекционных заболеваний. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Biochimie.
Участник исследования Диана Дилбарян проводит манипуляции с бактериальными культурами. Источник: Диана Дилбарян
Ежегодно до 40% урожая агрокультур теряется из-за болезней, вызываемых фитопатогенами — болезнетворными грибами и бактериями. Сейчас для защиты сельскохозяйственных культур используют не только синтетические агрохимикаты — пестициды, — многие из которых причиняют вред природе и здоровью человека, но и микробиологические средства. Защитные свойства таких препаратов основаны на конкуренции между полезными микроорганизмами и фитопатогенными. Бактерии, живущие на корнях растений, вырабатывают различные антибиотики, чтобы избавиться от конкурентов, и тем самым защищают растение.
Одно из таких веществ — макролактин А — выделяет бактерия вида Bacillus velezensis — типичный и широко распространенный представитель нормальной микробиоты растений. Макролактин А известен с конца прошлого века тем, что замедляет рост широкого круга бактерий, среди которых — микробы, вызывающие болезни растений, животных и человека. Кроме того, это соединение обладает противовоспалительным и противоопухолевым действием. Однако было неизвестно, на какие структуры или биохимические процессы в клетках бактерий воздействует антибиотик. При этом понимать механизм действия вещества необходимо, чтобы разрабатывать эффективные препараты, которые целенаправленно воздействуют на патогены, преодолевают устойчивость микробов, при этом оказывая минимальное воздействие на клетки хозяина.
Коллектив ученых из Тюмени, Москвы и Казани определил молекулярный механизм действия макролактина А на клетки бактерий и человека. Для этого группа из Тюменского государственного университета (Тюмень) выделила антимикробное вещество из продуктов обмена веществ почвенной бактерии Bacillus velezensis. Затем ученые из Казанского научного центра РАН (Казань) и Казанского федерального университета (Казань) исследовали вещество с помощью ядерного магнитно-резонансного спектрометра — прибора, который, воздействуя на молекулу сильным магнитным излучением, позволяет определить, какие атомы и в каком количестве ее составляют. Ученые подтвердили, что выделенный антибиотик представляет собой макролактин А.
Группа из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) определила, что макролактин А подавляет синтез белков в бактериальных клетках. Сборка цепочки белка из отдельных аминокислот — это сложный процесс, которым занимается такая молекулярная машина, как рибосома. В ней содержится особый белок — фактор элонгации Tu, отвечающий за продвижение рибосомы по матричной РНК (своеобразной «инструкции» по синтезу белков). Именно фактор элонгации оказался молекулярной мишенью макролактина А. Авторы выяснили это с помощью системы биосенсоров, которая позволяет определить, что именно нарушает антибиотик: ДНК или процесс синтеза белка.
«Мы также получили культуру бактерий, устойчивых к макролактину А, расшифровали их геном и сравнили с геномом исходного, чувствительного к антибиотику, штамма. Изменения были в гене, который кодирует синтез фактора элонгации трансляции. Это подтвердило результаты исследований с помощью биосенсора», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дарья Пошвина, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории антимикробной резистентности ТюмГУ.
Ученые также исследовали действие макролактина А с помощью бесклеточных моделей, когда антибиотик воздействовал непосредственно на рибосомы разных микробов. Эксперименты ученые провели на основе рибосом золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus) и кишечной палочки (Escherichia coli). Первая бактерия имеет толстую клеточную стенку без дополнительной внешней мембраны, а вторая — тонкую, покрытую мембраной. Различие в строении клеточной стенки играет важную роль при подборе препаратов для лечения бактериальных инфекций. Результаты показали, что макролактин А эффективен против микробов обоих типов, однако в случае со стафилококком потребовалась концентрация вещества в 50 раз больше. Также ученые исследовали действие антибиотика на 20 разных видах живых микроорганизмов. Эксперименты показали, что у некоторых бактерий макролактин А лишь угнетал процесс размножения, тогда как других убивал.
Ученые также протестировали действие макролактина А на выращенные в лаборатории клетки человеческой кожи. Эксперименты подтвердили низкую токсичность вещества, сравнимую с его ближайшим аналогом — азитромицином, который широко используется в медицине, например, для лечения бронхитов. То, что макролактин А потенциально безвреден для человека, позволит использовать антибиотик при разработке безопасных препаратов для защиты растений в сельском хозяйстве.
Ученые планируют исследовать молекулу макролактина А на уровне атомов с помощью криоэлектронного микроскопа, чтобы установить, к какой части рибосомы бактерии она прикрепляется. Также в следующих исследованиях вещество введут в образцы почвы, чтобы проанализировать изменения, которые оно вызовет в ее микробиоте.
«Полученные результаты вносят значительный вклад в развивающуюся теорию о функциональной роли антибиотиков в микробном мире. Как вещество, замедляющее биосинтез белка, этот антибиотик может изменять белковый состав микробиоты в конкретной среде обитания, например почве. Дальнейшие детальные исследования позволят спрогнозировать, какое экологическое влияние могут оказывать новые подобные антибиотики», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Алексей Васильченко, кандидат биологических наук, заведующий лабораторией антимикробной резистентности ТюмГУ.
В исследовании принимали участие сотрудники Сколковского института науки и технологий (Москва) и Научно-исследовательского института биомедицинской химии имени В.Н. Ореховича (Москва).
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
