В поиске антибиотиков
Об открытии пенициллина, некультивируемых формах бактерий и антибиотиках, действующих на биосинтез белка
Петр Сергиев, ПостНаука
Многие слышали историю открытия первого антибиотика – пенициллина – британским ученым Александром Флемингом. Это открытие во многом было везением, а во многом оно было обусловлено наблюдательностью Флеминга. Он выращивал колонии бактерий на агаровых чашках, и в одну из таких чашек случайно залетела спора плесени. Другой бы человек, возможно, выкинул такую чашку, но Флеминг заметил, что вокруг колонии плесени бактерии лизировали, то есть умерли. Он выделил из этой плесени активные соединения, которые потом назвали пенициллином, и производные пенициллина до сих пор находятся в клинической практике.
Первый синтетический антибиотик открыл немецкий исследователь Герхард Домагк в 1932 году. Он исследовал красители и обнаружил, что сульфаниламид и его производные обладают антибактериальным действием. Эти соединения до сих пор используются в клинической практике.
Первый советский антибиотик – грамицидин С – был открыт во время Великой Отечественной войны. В то время было много раненых, раны часто загнивали, и против гноящихся ран нужны были антибиотики. Соответственно, в нашей стране началась программа по поиску антибиотиков, и Георгий Францевич Гаузе вместе с Марией Георгиевной Бражниковой под руководством Петра Григорьевича Сергиева открыли первый советский антибиотик. В дальнейшем школа Гаузе и Бражниковой открыла множество антибиотиков, которые нашли свое применение в клинике. Сейчас Институт имени Гаузе до сих пор активно работает в России и ищет новые антибиотики.
Большинство антибиотиков были открыты в 50–60-х годах XX века, и это был золотой век антибиотиков. Они открывались во множестве, во всех странах мира. Искали их таким образом: из природных мест обитания, например из почвы, выделяли индивидуальные колонии почвенных микроорганизмов, грибов или бактерий, смотрели, могут ли эти колонии убивать бактерии вокруг себя, выделяли активное соединение. Это был довольно трудоемкий процесс: нужно было нарастить достаточное количество продуцента. Достаточно трудно очистить активное соединение, а потом не менее трудно идентифицировать его строение.
В тот момент казалось, что проблема бактериальных инфекций решена и антибиотики всегда будут нас защищать. К сожалению, оказалось так, что, скорее, человечество получило отсрочку на несколько десятилетий в борьбе с бактериальными инфекциями. Дело в том, что когда вы выделяете нового продуцента из какой-то природной среды, новую бактерию, которая продуцирует антибиотик, то вы не знаете, что за антибиотик она делает. Вы должны его выделить в чистом виде, определить строение, и тогда вы можете с ужасом понять, что вы выделили что-то уже известное. И стало оказываться все чаще и чаще, что исследователи выделяли одни и те же антибиотики многократно, а новые антибиотики стали встречаться все реже и реже. Дошло до того, что новые антибиотики стали открывать раз в несколько лет, а в конце концов уже и раз в десятилетия.
К этому прибавилась значительная потеря интереса к разработке антибиотиков у фармацевтических компаний. Дело в том, что, во-первых, эффективность этого процесса снижалась, а во-вторых, оказалось, что за антибиотики можно выручить не так много денег, потому что антибиотик человек, так или иначе, принимает достаточно короткое время – одну-две недели. Это нельзя сравнить с лекарствами против хронических заболеваний, которые человек вынужден принимать всю жизнь.
К снижению эффективности в поиске новых антибиотиков прибавилось распространение патогенных бактерий, которые устойчивы к антибиотикам. Дело все в том, что если вы применяете антибиотик и даже если в популяции бактерий исходно было очень мало устойчивых, то, убив все чувствительные бактерии антибиотиком, та малая доля устойчивых получает все ресурсы, и они начинают размножаться лавинообразно. Сейчас практически для всех антибиотиков, которые используются в клинической практике, известны патогенные бактерии, которые к ним устойчивы. Более того, есть бактерии, которые устойчивы к нескольким, даже к большинству используемых антибиотиков, поэтому, хотя сейчас мы еще можем чувствовать себя в какой-то степени защищенными, в будущем кошмары эпидемий бактериальных инфекций могут вернуться, поэтому антибиотики надо искать.
Первый способ поиска антибиотиков я вам уже описал. Это классический способ выделения из природной среды индивидуальных колоний продуцентов, их выращивание. Что можно использовать для того, чтобы увеличить эффективность этого процесса? Одной из альтернатив служит тестирование химических соединений, которые синтезированы в лаборатории. В настоящий момент имеются довольно обширные коллекции химических соединений – сотни тысяч и миллионы разных веществ. Достоинство в скрининге среди химических соединений такое, что мы заранее знаем, что мы тестируем. Иными словами, нет проблемы идентификации соединения, нет проблемы выделения соединения, нет проблемы повторного открытия ранее известного антибиотика.
Основной недостаток связан с тем, что природные антибиотики совершенствовались микроорганизмами многие миллионы лет, они достигли большой эффективности в убийстве бактерий. Соединения, случайным образом выбранные, как правило, не имеют антибактериальной активности или имеют достаточно слабую антибактериальную активность. Тем не менее все равно такой метод есть, и отчасти мы его используем в своей работе. Дело в том, что, даже если случайным образом найденное соединение слабо убивает бактерии, его можно усовершенствовать ― либо вслепую, делая некие случайные модификации исходного соединения, либо направленно: если мы знаем мишень, если мы знаем, как это соединение действует, мы можем придумать, как его улучшить.
Следующий вариант усовершенствования поиска антибиотиков связан с некультивируемыми бактериями. Дело в том, что не все бактерии в природе можно вырастить на агаре в виде индивидуальных колоний. Более того, считается, что большинство бактерий нельзя так вырастить. Почему это происходит? Почему бактерии не хотят расти по отдельности? В бактериальном сообществе бактерии могут друг другу не только вредить, но и помогать. Бактерии разных видов могут обмениваться химическими соединениями, которые им нужны, и таким образом получается некое разделение труда в химическом синтезе между бактериями. В качестве примера можно привести то, что не все бактерии умеют добывать железо. Речь идет, конечно, об ионах железа, которые бактериям нужны. Некоторые виды способны выпускать в среду вещества, которые улавливают ионы железа, и они могут использоваться их соседями. Это не единственный пример кооперации между бактериями. Некультивируемые бактерии также могут продуцировать антибиотики. Как же быть с ними?
Наш бывший соотечественник, а теперь выдающийся американский ученый Ким Льюис придумал способ культивирования некультивируемых бактерий, как бы странно это ни звучало. Для этого он использует микроскопические контейнеры с полупроницаемыми стенками. В каждый такой контейнер попадает по одной бактериальной клетке, из этого контейнера бактерия вырваться не может, она сидит как бы в маленькой тюрьме. Но поскольку стенки проницаемы, она может обмениваться веществами с другими бактериями и окружающей средой. Бактерии, заключенные в такие клеточки, помещаются в их природную среду обитания, и там они могут хорошо расти. Таким образом Ким Льюис нашел продуцента нового антибиотика, который действует на синтез клеточной стенки бактерий.
Еще один способ поиска новых антибиотиков использует Константин Северинов из Сколтеха. Он ищет гены, которые отвечают за биосинтез антибиотиков. Для того чтобы искать гены, совершенно необязательно выращивать бактерии ― вы можете просто определить нуклеотидные последовательности ДНК, в том числе и некультивируемых бактерий или бактерий, которые плохо культивируются. Можно искать гены просто в компьютере, в базах данных по известным бактериальным геномам. И тогда такие гены можно подсадить в известную бактерию, с которой легко работать, и заставить ее делать антибиотики. В этом методе тоже есть свои недостатки, потому что гены могут и не работать в чужеродной бактерии.
Наша группа занимается изучением антибиотиков, которые действуют на биосинтез белка, на рибосому. В Сколтехе мы только начинаем эту работу, поэтому вся работа основана на том фундаменте, который был заложен в Московском государственном университете, в научной школе академика Алексея Алексеевича Богданова под руководством Ольги Анатольевны Донцовой. Выдающийся молодой человек в нашей группе Илья Остерман придумал сделать так называемую репортерную бактерию. Что это значит? Когда бактерия умирает от антибиотика, мы не знаем, какая система в ней нарушена. Она просто тихо умирает и никак нам не показывает от чего. Задумка была в том, чтобы бактерия, когда у нее перестает работать какая-то система, начинала светиться разным цветом, то есть флюоресцировать, в зависимости от того, какой механизм у нее нарушен. Пока мы научили бактерию сигнализировать нам о том, что у нее, например, нарушен биосинтез белка или начинает повреждаться ДНК, как, например, случается, когда у нее повреждается ДНК-гираза. С помощью такого метода мы проводим скрининг как химических библиотек, так и библиотек природных соединений и уже нашли несколько интересных перспективных молекул, которые мы сейчас изучаем и стараемся усовершенствовать.
Об авторе:
Петр Сергиев – Associate Professor, Center for Data-Intensive Biomedicine and Biotechnology, Scoltech.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
23.03.2017