Известно, что высшим живым существам иммунная система необходима для того, чтобы бороться с инфекционными болезнями, то есть с простейшими живыми организмами-патогенами: бактериями, микробами, грибками и конечно же вирусами. Но, скорее всего, мало кто задумывался над тем, есть ли иммунитет у беспозвоночных животных, например у насекомых. Поиски ответа на этот, казалось бы, простой вопрос привели к открытию нового класса уникальных веществ.
Оказывается, иммунной системы в том понимании, к которому мы привыкли, у насекомых нет. У них не вырабатываются защитные белковые молекулы - антитела, способные блокировать попавшие в организм чужеродные белки. Между тем ученым давно известно, что с болезнетворными микроорганизмами насекомые все же умеют бороться. Но как? Впервые на этот вопрос удалось ответить в 1980 году группе исследователей под руководством Ханса Бомана из Стокгольмского университета (Швеция). Гусенице шелкопряда Hyalophora cecropia сделали инъекцию раствора, зараженного бактериями, а затем собрали и проанализировали химические вещества, которые выделила инфицированная гусеница в ответ на укол. В результате ученые получили два новых химических соединения - пептидные молекулы, состоящие из 35-39 аминокислот. Их назвали цекропинами в честь шелкопряда. Антимикробная активность цекропинов оказалась очень высокой. Вскоре подобные вещества нашли в секрете бабочек и мух.
В принципе, антимикробные вещества, представляющие собой короткие молекулы из 24-40 аминокислот, известны давно. Более полувека назад были выделены антимикробные пептиды грамицидин и низин, которые широко используются в фармацевтической и пищевой промышленности. Давно описаны растительные антибактериальные пептиды и пептиды из пчелиного яда. Тем не менее открытие Бомана вызвало интерес. Во-первых, выделенные пептиды на первый взгляд очень напоминали давно известное вещество мелиттин, содержащееся в пчелином яде, но с одной маленькой разницей - в отличие от мелиттина, цекропины убивали клетки бактерий только типа Escherichia coli (так называемые грамотрицательные бактерии) и совершенно не действовали ни на другие микроорганизмы, ни на клетки высших организмов. Понятно, что такая высокая избирательность действия делала цекропины потенциальными кандидатами на применение в качестве лекарства. Во-вторых, стало ясно, что цекропины и им подобные вещества обеспечивают защиту насекомых от разных болезней, то есть природный иммунитет.
Вслед за цекропинами были идентифицированы и другие вещества из секреторных выделений различных насекомых. Некоторые из них избирательно уничтожают грамположительные бактерии, другие (выделенные из секрета плодовой мушки - дрозофилы) - грибковые микроорганизмы. Великое множество антимикробных пептидов выделено из ядов различных насекомых и пресмыкающихся: змей, скорпионов, пауков, ос. В конце 1980-х годов Майкл Заслофф, работающий в системе Национальных институтов здоровья в Бетесде (США), открыл, что кожный покров обыкновенной лягушки в ответ на микробное поражение или повреждение запускает сильнейшую систему биохимической защиты - выделяет большое количество антимикробных пептидов, состоящих из 23 аминокислот. Заслофф назвал новые соединения "магайнины" (производное от древнееврейского слова, означающего "щит, защита"). Уже в 1988 году Заслофф оставил фундаментальную науку с тем, чтобы основать компанию "Магайнин Фармасьютиклс", по сей день весьма успешно работающую на рынке фармацевтических препаратов.
Поначалу среди исследователей бытовало мнение, что антимикробные пептиды вырабатываются секреторными органами только низших существ, не имеющих развитой иммунной системы. Но уже в 1988 году было показано, что и млекопитающие - кролики, коровы и даже люди - могут выделять похожие вещества. Причем происходит это преимущественно в области кишечника, респираторного тракта и мочеточников. Пептиды постоянно вырабатываются даже в "спокойном" состоянии организма, а при воспалении или повреждении органов происходит всплеск их синтеза. Поэтому сегодня одна из основных целей - поиск веществ, стимулирующих выброс антимикробных пептидов в организме человека. К удивлению исследователей, соединение, подстегивающее природный иммунитет, нашлось в дрожжах и йогурте. Оказалось, что это аминокислота изолейцин, не синтезирующаяся в организме, а поступающая в него исключительно с продуктами питания.
Как уже было сказано выше, антимикробные пептиды вырабатывают даже растения. Растительные пептиды - тионины - открыты очень давно, почти 50 лет назад. По структуре они похожи на антимикробные пептиды насекомых и так же эффективно уничтожают грибковые микроорганизмы, а против бактерий практически бессильны. Пептид дрозомицин из плодовой мушки по строению похож на дефензин из семян редьки, антимикробные пептиды из секрета бабочек напоминают тионины из семян ячменя или пшеницы.
Многие исследователи считали, что у насекомых и пресмыкающихся антимикробные пептиды - практически единственная система защиты от болезней, а у высших позвоночных, обладающих нейроэндокринной и иммунной системами, это своего рода атавизм. Но потом ученые нашли экспериментальные подтверждения того, что антимикробные пептиды жизненно необходимы и организму млекопитающих. Так, в 1999 году в Калифорнийском университете (США) у подопытных мышей "выключили" ген, который отвечал за синтез фермента, активировавшего выработку антимикробного пептида в тонком кишечнике. По сравнению с обычными животными такие мыши быстрее подхватывали различные кишечные бактериальные инфекции и чаще умирали от них.
Каким образом антимикробным пептидам удается быстро и эффективно уничтожать бактерии, остается загадкой. Но все же кое-какие закономерности в структуре и механизме их действия ученым уже известны. Доказано, что большинство таких пептидов взаимодействуют с клеточной мембраной бактерий, вернее, с двойным липидным слоем мембраны. Кроме того, антимикробные пептиды всегда несут на себе положительный заряд, а на поверхности липидного бислоя бактериальной мембраны - заряд отрицательный. Потому понятно, что ключевую роль в антибактериальном действии играют электростатические взаимодействия положительно заряженных пептидов и отрицательно заряженной оболочки бактерий. Но чистой электростатикой активность пептидов не объяснить. Ведь иногда пептиды уничтожают один вид бактерий, а другой, с таким же поверхностным зарядом, не замечают. Кроме того, неясно, как некоторые положительно заряженные пептиды разрушают электрически нейтральную мембрану клеток млекопитающих. Особенно непонятно, а некоторым ученым кажется даже мистикой, что пептиды, даже если разрушают клетки высших животных, никогда не поражают клетки "хозяина".
Не последнюю роль играет и тот факт, что молекулы большинства известных антимикробных пептидов при попадании в окружение липидов клеточной мембраны превращаются из неупорядоченных линейных в правосторонние спиральные. Видимо, спиральная структура необходима для того, чтобы пронизать мембрану микробной клетки. Но еще более важное свойство пептидов - амфифильность. Это означает, что заряженные и незаряженные группы аминокислот расположены по разные стороны молекулы, то есть заряд распределен не равномерно, а сконцентрирован на одном участке пептида. Пептид как бы "сжал весь заряд в кулак", чтобы поразить мишень - клеточную мембрану бактерии.
Для описания механизма проникновения пептида через мембрану ученые придумали несколько моделей. Наиболее распространена так называемая "порообразующая" модель, согласно которой пептиды при взаимодействии с липидным бислоем встраиваются в мембрану, пронизывая ее насквозь, причем структура пор может быть различной. Иногда молекулы пептидов выстраиваются перпендикулярно плоскости мембраны, плотно прилегая друг к другу и образуя цилиндрическую бочку. Поэтому такой способ разрушения мембраны и называется "бочковым". А в некоторых случаях стенки поры состоят как из пептидных, так и из липидных молекул. Тогда пора имеет форму тора ("тороидальный" механизм). Когда поры изрешечивают всю мембрану, она теряет устойчивость, и содержимое микробной клетки выходит наружу - болезнетворная бацилла погибает. Есть и другая модель (она называется "ковровой"), в соответствии с которой положительно заряженные молекулы пептидов как бы выстилают отрицательно заряженную мембрану бактерии, образуя молекулярный "ковер". Когда вся поверхность бактерии занята пептидами, ее мембрана просто начинает разрываться на куски.
Новые антимикробные вещества могут стать альтернативой антибиотикам, к большинству которых бактерии приобрели устойчивость. Ведь, чтобы побороть болезнетворные микроорганизмы, ученым приходится создавать все новые и новые производные старых препаратов. На это уходят годы, а пациенты ждать не могут. Антимикробные пептиды, хотя несколько уступают антибиотикам по эффективности, действуют намного быстрее и, что самое главное, уничтожают бактерии, устойчивые к известным антибиотикам. Однако применять в клинике в качестве антибиотиков и антигрибковых средств можно только те пептиды, которые не разрушают клетки млекопитающих. К сожалению, большинство природных пептидов наряду с антимикробным обладают некоторым гемолитическим действием, то есть разрушают человеческие эритроциты. Конечно, хорошо бы создать искусственные аналоги природных соединений, обладающих антибактериальной, но не имеющих гемолитической активности. Однако механизм действия пептидов до сих пор непонятен, а потому направленный молекулярный дизайн весьма затруднителен.
Но даже несмотря на это, в последнее время появились перспективы клинического использования антимикробных пептидов. Так, в Германии уже начались клинические испытания препарата на основе антимикробного пептида, выделенного из секрета плодовой мушки. Он достаточно эффективен при лечении тяжелых грибковых поражений, которые нередко вызывают осложнения после химио-терапи и или операции по пересадке органов. Антимикробные пептиды вырабатываются тканями человеческого организма в ответ на локальное поражение или инфекцию. Поэтому они очень полезны для лечения местных воспалительных процессов. Магайнины успешно используются (правда, пока на стадии клинических испытаний) для лечения полимикробных поражений стопы при диабете. В США проводят испытания пептида из нейтрофилов свиньи. Его предполагается использовать для лечения язв в ротовой полости у онкологических больных после радио- и химиотерапии, а также (в форме аэрозоля) тяжелых форм пневмонии, требующих искусственной вентиляции легких. С помощью современных антибиотиков особенно трудно бороться с грамположительными бактериями - они устойчивы против всех имеющихся в арсенале медиков препаратов. Такие бактерии часто поражают края тканей, соприкасающихся с трубками катетера. А пептиды, синтезированные канадскими химиками, эффективно с ними борются.
Иногда антимикробные пептиды находят довольно неожиданное применение. Так, бактериальный пептид низин применяется как консервант продуктов, для сохранения свежести роз и даже как лекарство для рыб. Ученые предлагают использовать цекропины для хранения и дезинфекции контактных линз. Недавно обнаружили, что магайнины могут не только бороться с микроорганизмами, вызывающи ми венерические заболевания, включая и ВИЧ, но и разрушать сперматозоиды, что делает возможным создание препарата, сочетающего в себе свойства антисептика и контрацептива.
Многие исследования показали, что по непонятной причине опухолевые клетки более чувствительны к действию антимикробных пептидов, чем нормальные. Вероятно, это происходит потому, что раковые клетки обладают некоторым дополнительным отрицательным зарядом на поверхности мембраны. Но, скорее всего, противоопухолевый эффект антимикробных пептидов обусловлен целым комплексом причин. Как бы то ни было, уже получены обнадеживающие результаты по лечению меланомы, рака яичников и лимфомы, но пока только у подопытных животных.
Сейчас эффективных специфических противовирусных препаратов практически не существует. Поэтому антивирусная активность антимикробных пептидов кажется медикам многообещающей. Пептиды могут "расправляться" с вирусами различными способами. Во-первых, некоторые из них просто взаимодействуют с вирусом непосредственно, блокируя его активность. Таким способом они "выключают" вирусы герпеса, стоматита и даже ВИЧ. Во-вторых, пептиды могут блокировать размножение вирионов ВИЧ в инфицированном организме. Так действуют уже знакомые нам цекропины и мелиттин. И, наконец, что уж совсем удивительно, некоторые пептиды "притворяются" каким-либо жизненно необходимым для вируса молекулярным компонентом его белковой оболочки. Например, мелиттин по структуре похож на один из функциональных регионов вируса табачной мозаики, и поэтому его избыток может полностью подавить активность вируса. Так что получение трансгенных растений со встроенным геном мелиттина для борьбы с этим вирусом - не за горами.
О трансгенных растениях стоит сказать особо. На сегодняшний день - это наиболее экономически выгодный путь внедрения антимикробных пептидов. Ведь выделение их из природных объектов - растений, насекомых, тканей животных - очень трудоемко, а выход ничтожен. Химический синтез пептидов хотя и полностью автоматизирован, но весьма дорог для широкого промышленного использования. Сейчас удалось снизить стоимость грамма пептида в среднем до 50-100 долларов, но эта цена по-прежнему оставляет антимикробные препараты на основе пептидов недоступными для большинства пациентов. Другое дело - трансгенные растения. Достаточно встроить соответствующий ген в геном растения, и оно начинает вырабатывать антимикробные вещества. Успешно проводятся полевые испытания с трансгенным табаком, картофелем, томатом и рапсом. В результате генно-инженерных манипуляций растения со встроенными генами антимикробных пептидов приобретают устойчивость к различным грибковым и бактериальным заболеваниям. Ученые не исключают, что в скором времени на фермах появятся трансгенные коровы со встроенным геном цекропина, который сделает их устойчивыми ко многим инфекциям. Проводятся эксперименты и с трансгенной рыбой. Подобные исследования традиционно являются объектом самой жесткой критики со стороны общественности. Хотя, впрочем, неизвестно, что вреднее - встроенный ген антимикробного пептида или тонны антибиотиков и гормонов роста, скормленных коровам или свиньям.
Общность структур антимикробных пептидов растений, насекомых и даже некоторых позвоночных указывает на то, что у них одни и те же прародители, то есть это сохранившаяся с древнейших времен система защиты организмов от патогенов. Многие ученые высказывают предположения о роли, которую пептиды сыграли в процессе эволюции многоклеточных. Но, несмотря на свою "старомодность" по сравнению с иммунной системой, они продолжают оставаться эффективным оружием против грибков, бактерий и вирусов для большинства представителей земной флоры и фауны. В природе они особенно важны для насекомых, осьминогов, морских звезд и прочих животных, у которых нет ни лимфоцитов, ни тимуса, ни антител, чтобы бороться с чужеродными микробами. А на человека этому древнему, но мощному противомикробному и противовирусному оружию, видимо, еще предстоит поработать.
См. в номере на ту же тему
Н. ЗАХАРЧЕНКО - Трансгенные растения с цекропином не болеют и не вянут.
