Ученые расшифровали механизм действия природного антибиотика, который выделяют почвенные бациллы. Макролактин А, известный своими антимикробными, противовоспалительными и противоопухолевыми свойствами более 30 лет, теперь раскрывает свою способность замедлять рост патогенных микроорганизмов, блокируя синтез белков в их клетках. Результаты данного исследования окажут значительное влияние на разработку безопасных биологических препаратов для защиты сельскохозяйственных растений, а также на создание новых средств против инфекционных заболеваний.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), были опубликованы в журнале Biochimie.
Ежегодно до 40% урожая сельскохозяйственных культур теряется из-за заболеваний, вызванных фитопатогенами — болезнетворными грибами и бактериями. В настоящее время для защиты растений применяются не только синтетические агрохимикаты, такие как пестициды, многие из которых наносят вред экологии и здоровью человека, но и микробиологические средства. Эффективность таких препаратов основана на конкуренции между полезными микроорганизмами и фитопатогенными. Бактерии, обитающие на корнях растений, вырабатывают различные антибиотики для борьбы с конкурентами, тем самым защищая растения.
Одним из таких антибиотиков является макролактин А, который выделяет бактерия Bacillus velezensis — распространенный представитель нормальной микробиоты растений.
Макролактин А известен с конца XX века своей способностью замедлять рост различных бактерий, включая те, что вызывают заболевания растений, животных и человека. Кроме того, это соединение обладает противовоспалительными и противоопухолевыми свойствами. Однако до недавнего времени оставалось неясным, как именно этот антибиотик воздействует на структуры или биохимические процессы в клетках бактерий. Понимание механизма действия макролактина А необходимо для разработки эффективных препаратов, которые целенаправленно воздействуют на патогены, преодолевают устойчивость микроорганизмов и оказывают минимальное влияние на клетки хозяина.
Команда ученых из Тюмени, Москвы и Казани установила молекулярный механизм действия макролактина А на клетки бактерий и человека.
Для этого научная группа из Тюменского государственного университета выделила антимикробное вещество из метаболитов почвенной бактерии Bacillus velezensis. Далее ученые из Казанского научного центра РАН и Казанского федерального университета исследовали это вещество с помощью ядерного магнитно-резонансного спектрометра — прибора, который, воздействуя на молекулу мощным магнитным полем, позволяет определить состав и количество атомов в ней. В результате исследования было подтверждено, что выделенный антибиотик является макролактином А.
Исследовательская группа из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) установила, что макролактин А ингибирует синтез белков в бактериальных клетках. Процесс сборки белковой цепочки из отдельных аминокислот является сложной задачей, выполняемой молекулярной машиной — рибосомой. В рибосоме находится специфический белок — фактор элонгации Tu, который отвечает за перемещение рибосомы по матричной РНК, служащей своеобразной «инструкцией» для синтеза белков. Именно этот фактор оказался молекулярной мишенью для макролактина А. Ученые выяснили это с помощью системы биосенсоров, позволяющей определить, что именно нарушает действие антибиотика: 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 проводили исследования воздействия макролактина А с использованием бесклеточных моделей, когда антибиотик воздействовал непосредственно на рибосомы различных микробов.
Эксперименты были выполнены на рибосомах золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus) и кишечной палочки (Escherichia coli).
Золотистый стафилококк имеет толстую клеточную стенку без дополнительной внешней мембраны, тогда как кишечная палочка обладает тонкой клеточной стенкой, покрытой мембраной. Это различие в структуре клеточной стенки имеет важное значение при выборе препаратов для лечения бактериальных инфекций.
Результаты показали, что макролактин А эффективен против обоих типов микробов, однако для стафилококка потребовалась в 50 раз большая концентрация вещества. Кроме того, ученые изучили действие антибиотика на 20 различных видах живых микроорганизмов. Эксперименты показали, что для некоторых бактерий макролактин А лишь замедлял процесс размножения, в то время как для других он вызывал их гибель.
Ученые также провели испытания действия макролактина А на клетках человеческой кожи, выращенных в лабораторных условиях. Результаты экспериментов подтвердили низкую токсичность вещества, сопоставимую с его ближайшим аналогом — азитромицином, который широко применяется в медицине, в том числе для лечения бронхитов. Это открытие свидетельствует о потенциальной безопасности макролактина А для человека, что может позволить использовать антибиотик при разработке безопасных препаратов для защиты растений в сельском хозяйстве.
В дальнейшем ученые планируют исследовать молекулу макролактина А на атомном уровне с использованием криоэлектронного микроскопа, чтобы выяснить, к какой части рибосомы бактерии она присоединяется. Также в следующих исследованиях вещество будет введено в образцы почвы для анализа изменений, которые оно вызовет в 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 участвовали сотрудникиСколковского института науки и технологий (Москва) и Научно-исследовательского института биомедицинской химии имени В.Н. Ореховича (Москва).
Источник: пресс-служба РНФ.
На фото - участник исследования Диана Дилбарян проводит манипуляции с бактериальными культурами. Автор фото: Диана Дилбарян.