После химической доработки для использования на животных цилагицин последовательно и безопасно уничтожал грамположительные бактерии в лабораторных условиях, не повреждал клетки человека и успешно лечил бактериальные инфекции у мышей.
Устойчивые к антибиотикам патогены могут быть побеждены с помощью синтетического антибиотика
Совершенно новый антибиотик, разработанный в Рокфеллеровском университете с использованием вычислительных моделей продуктов бактериальных генов, способен убивать даже те бактерии, которые устойчивы к другим антибиотикам. Согласно результатам исследования, опубликованным в журнале Science, препарат, известный как цилагицин, эффективен на мышах и использует новый механизм борьбы с MRSA, C. diff и другими опасными инфекциями.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что компьютерные модели могут быть использованы для разработки нового класса антибиотиков. «Это не просто новая классная молекула, это подтверждение нового подхода к открытию лекарств», — говорит Шон Ф. Брэди из Рокфеллера. «Это исследование — пример того, как вычислительная биология, генетическое секвенирование и синтетическая химия, объединившись, раскрывают секреты эволюции бактерий».
Действуя на протяжении веков бактериальной войны
Бактерии миллиарды лет изобретали новые способы уничтожения друг друга, поэтому неудивительно, что многие из наших самых мощных антибиотиков появились именно благодаря бактериям. За исключением пенициллина и некоторых других известных антибиотиков, полученных из грибков, большинство антибиотиков были впервые использованы бактериями в качестве оружия для борьбы с другими бактериями.
«Эпохи эволюции дали бактериям уникальные способы ведения войны и уничтожения других бактерий без выработки устойчивости у их противников», — говорит Брейди, профессор Эвнин и руководитель лаборатории генетически закодированных малых молекул. Когда-то открытие антибиотиков сводилось к тому, что ученые выращивали в лаборатории стрептомицетов или бацилл и разливали их секреты по бутылкам для лечения человеческих болезней.
Синтетический антибиотик цилагицин оказался особенно активным в отношении грамположительных бактерий, таких как Streptococcus pyogenes (на фото выше). Credit: Rockefeller University
Однако в связи с ростом числа антибиотикорезистентных бактерий возникает острая необходимость в новых активных соединениях, а бактерии, которые легко использовать, возможно, уже на исходе. Однако несметное количество антибиотиков, скорее всего, скрыто в геномах упрямых бактерий, которые сложно или невозможно изучить в лабораторных условиях. «Многие антибиотики получают из бактерий, но большинство бактерий невозможно вырастить в лаборатории», — говорит Брейди. «Из этого следует, что мы, вероятно, упускаем большинство антибиотиков».
Поиск антибактериальных генов в почве и культивирование их в более удобных для лабораторных условий бактериях — альтернативная стратегия, которую лаборатория Брейди отстаивает на протяжении последних пятнадцати лет. Но даже такой подход имеет определенные недостатки. Большинство антибиотиков создаются на основе генетических последовательностей, запертых в кластерах бактериальных генов, называемых «кластерами биосинтетических генов», которые совместно кодируют целый ряд белков. Однако при современных технологиях такие кластеры зачастую недоступны.
«Бактерии устроены очень сложно, и если мы можем определить последовательность гена, это еще не значит, что мы знаем, как бактерия включит его для производства белков», — говорит Брейди. «Существуют тысячи и тысячи неохарактеризованных кластеров генов, и нам удалось выяснить, как активировать лишь часть из них».
Новый пул антибиотиков
Разочаровавшись в своей неспособности раскрыть многие кластеры бактериальных генов, Брейди и его коллеги обратились к алгоритмам. Разбирая генетические инструкции в последовательности ДНК, современные алгоритмы могут предсказать структуру антибиотикоподобных соединений, которые будут вырабатываться бактерией с такой последовательностью. Затем химики-органики могут взять эти данные и синтезировать предсказанную структуру в лаборатории.
При этом предсказание не всегда может быть идеальным. «Молекула, которую мы получаем в итоге, предположительно, но не обязательно, является той, которую эти гены произвели бы в природе», — говорит Брейди. «Мы не беспокоимся, если она не совсем правильная — нам нужно, чтобы синтетическая молекула была достаточно близка, чтобы она действовала аналогично тому соединению, которое возникло в природе».
Постдокторанты Зонгьян Ванг и Бимал Коирала из лаборатории Брейди начали работу с поиска в огромной базе данных генетических последовательностей перспективных бактериальных генов, которые, по прогнозам, участвуют в уничтожении других бактерий и не были изучены ранее. Кластер генов «cil», который еще не исследовался в этом контексте, выделялся своей близостью к другим генам, участвующим в производстве антибиотиков. Исследователи ввели соответствующие последовательности в алгоритм, который предложил несколько соединений, которые, вероятно, производит cil. Одно из соединений, получившее меткое название цилагицин, оказалось активным антибиотиком.
Цилагицин надежно убивал грамположительные бактерии в лабораторных условиях, не наносил вреда клеткам человека и (после химической оптимизации для использования на животных) успешно лечил бактериальные инфекции у мышей. Особый интерес представляет тот факт, что цилагицин был эффективен в отношении нескольких лекарственно-устойчивых бактерий, и даже при сравнении с бактериями, выращенными специально для борьбы с цилагицином, синтетическое соединение одерживало верх.
Брэди, Ванг, Коирала и их коллеги установили, что цилагицин действует путем связывания двух молекул — C55-P и C55-PP, которые помогают поддерживать клеточные стенки бактерий. Существующие антибиотики, такие как бацитрацин, связывают одну из этих двух молекул, но не обе, и бактерии часто могут сопротивляться таким препаратам, собирая клеточную стенку из оставшихся молекул. Специалисты предполагают, что способность цилагицина связывать обе молекулы может стать непреодолимым барьером, препятствующим развитию резистентности.
Цилагицин еще далек от испытаний на людях. В ходе последующих исследований лаборатория Брейди проведет дальнейший синтез для оптимизации состава и испытает его на животных моделях против более разнообразных патогенов, чтобы определить, при каких заболеваниях он может быть наиболее эффективен.
Однако помимо клинического применения цилагицина, исследование демонстрирует масштабируемый метод, который исследователи могут использовать для открытия и разработки новых антибиотиков. «Эта работа — яркий пример того, что можно найти в кластере генов», — говорит Брейди. «Мы считаем, что с помощью этой стратегии можно открыть большое количество новых природных соединений, что, как мы надеемся, обеспечит новый интересный набор кандидатов в лекарственные препараты».
Ссылка: «Bioinformatic prospecting and synthesis of a bifunctional lipopeptide antibiotic that evade resistance» Zongqiang Wang, Bimal Koirala, Yozen Hernandez, Matthew Zimmerman and Sean F. Brady, 26 May 2022, Science. DOI: 10.1126/science.abn4213
