Недавно разработанный метод визуализации химических взаимодействий и борьбы между микроорганизмами может привести к созданию новых антибиотиков, противогрибковых, противовирусных и антиканцерогенных препаратов. Статья об этом недавно опубликована в Nature Chemical Biology.
«В геноме микроорганизмов закодирована способность синтезировать большое количество малых молекул, которые могут оказаться потенциальными антибиотиками», - считает доктор Пол Стрэйт (Paul Straight, Department of biochemistry and biophysics at Texas A&M University). «Но так как мы не понимаем, при каких условиях синтезируются такие молекулы в их естественной микросреде, мы может наблюдать только малую их часть в лабораторных условиях».
Примером тому является антибиотик эритромицин, который часто прописывают больным с аллергией на пенициллин.
Бактерия Saccharopolyspora erythraea, метаболитом которой является эритромицин, обладает генетически определенной способностью синтезировать большое количество других малых молекул, которые могут оказаться ценными лекарствами. Эритромицин был открыт с помощью микробных культур и обычных методик получения лекарств. Другие потенциально полезные метаболиты требуют несколько нетрадиционных методов исследования.
Исторически сложилось так, что медицинские препараты обнаруживаются исходя из практических наблюдений, иногда даже случайно или путем использования активных ингредиентов гомеопатических препаратов. Например, использование синей плесени для лечения ран было народным средством, уходящим корнями в Средние века. Но ученые выделили и очистили активный компонент, пенициллин, только в начале 20-го столетия. Это событие ознаменовало собой начало эры «природных лекарств», производимых микроорганизмами.
Современные методы разработки лекарственных препаратов основываются на технологиях скрининга, знании того, как контролируются инфекции и почему возникают болезни, на молекулярном уровне. Некоторые новые препараты создаются что называется «с нуля», часто со значительными финансовыми затратами, но неожиданные открытия того, что нам может предложить природа, еще не потеряли своего значения.
Микроорганизмы, такие как бактерия, продуцирующая эритромицин, взаимодействовали и боролись друг с другом в течение миллионов лет, используя все те же малые молекулы.
«Понимание того, как микробы взаимодействуют друг с другом и обмениваются химическими веществами, как присутствие одной сигнальной молекулы или антибиотика меняет продуцирование потенциальных антибиотиков другими, находящимися рядом клетками, приведет нас к новой стратегии получения большого количества потенциальных терапевтических средств из любой бактерии», - считает Стрэйт.
Если смотреть на вещи глобально, то мы наблюдаем недостаток новых антибиотиков, разрабатываемых фармацевтическими компаниями традиционными способами, и постоянно увеличивающееся количество полирезистентных и вновь появляющихся патогенов.
Масс-спектрометрический метод, используемый Стрэйтом и его коллегами, называется матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация. Прибор ионизирует часть образца лазерным излучением, в том время как кристаллическая матрица защищает биомолекулы от разрушения.
Пластина, на которой находится биологический образец, перемещается во время сканирования, выдавая сотни тысяч спектров. Затем данные обрабатываются компьютером и накладываются на визуальное изображение образца.
В своих экспериментах Стрэйт и его коллеги использовали две обычные бактерии, культивируемые в лаборатории - Bacillus subtilis и Steptomyces coelicolor. Обе они часто встречаются в почве. Бактерии культивировались вместе, и результаты их сложных химических взаимодействий были зафиксированы с помощью масс-спектрометра.
В конкурентной борьбе за ресурсы бактерии синтезируют малые молекулы, которые изменяют модели продуцирования антибиотиков, функционирующие при их раздельном культивировании. Например, ученые обнаружили, что одна бактерия подавляет биосинтез антибиотика, направленного на грамположительные микроорганизмы (стафилококки и стрептококки), другой бактерией.
Полученные исследователями данные свидетельствуют о химической сложности межвидовых взаимодействий. Используя генетическое секвенирование, ученые пришли к выводу, что до 20 % своей ДНК бактерий отвечает за биосинтез малых молекул, используемых ими для взаимодействия и химических «сражений» с другими микроорганизмами.