Антибиотики из помойки
Клетки делают антибактериальные средства из собственного молекулярного мусора.
Антибиотиком называют любую молекулу, которая может вредить микроорганизмам. Обычно под микроорганизмами подразумевают бактерии, хотя есть антибиотики, действующие против патогенных простейших, вроде паразитических амёб. По химической структуре антибиотики бывают разные, есть среди них и так называемые антимикробные пептиды. Обнаружить у живого организма антимикробные пептиды можно, анализируя генетические последовательности его белков. Таким способом пептидные антибиотики нашли у множества организмов, в том числе и у человека. Но в геноме эти пептиды не всегда представляют собой отдельный, самостоятельный кусок информации – в ДНК человека они часто обнаруживаются внутри более крупных белков. Это значит, что в пределах очень длинной аминокислотной цепи есть короткие последовательности, которые, будь они самостоятельными, могли бы работать как антимикробные пептиды. Однако такие последовательности не просто заключены внутрь крупного белка, они ещё находятся в той его области, которая плотно упакована. Как известно, у всех белков есть своя пространственная структура, в которую сворачивается цепочка аминокислот, и в этой структуре есть участки более структурированные и менее структурированные. Вот потенциальные антимикробные пептиды в человеческих белках часто оказываются встроены в высокоструктурированные зоны крупных белков.
Сотрудники Института Вейцмана предположили, что антимикробные участки крупных белков должны как-то высвобождаться, и что происходит это, вероятно, с помощью протеасом. Так называют крупные белковые комплексы, чья задача – расщеплять внутриклеточные белки, которые вышли из строя или стали просто ненужными. То есть протеасомы – часть мусороуборочной системы клетки, специализирующаяся на белковом мусоре. Причём протеасома расщепляет белки не прямо так, как они плавают в цитоплазме, не в виде свёрнутого клубка. Белковый клубок распутывается в полипептидную нить, которая последовательно нарезается на мелкие фрагменты. Исследователи предположили, что как раз благодаря такой протеасомной нарезке встроенные антимикробные пептиды и обретают самостоятельность.
В экспериментах человеческие клетки заражали бактериями сальмонелл, одновременно подавляя в заражённых клетках активность протеасом. Бактериальная инфекция среди таких клеток усиливалась, из чего следовало, что протеасомы действительно играют роль в антибактериальной защите. Заражённые клетки с работающими протеасомами выделяли из себя некие низкомолекулярные вещества, которые тоже действовали против бактерий. Когда эти выделяемые вещества обрабатывали ферментом, расщепляющим пептиды, антибактериальные свойства у них исчезали – значит, в той смеси молекул, которые выделяют заражённые клетки, антибактериальными свойствами обладают именно пептиды, а не что-либо другое.
Эти пептиды (их назвали PDDP – proteasome-derived defence peptides, защитные пептиды, образованные протеасомой) синтезировали искусственно и сравнивали с другими пептидами, у которых последовательность аминокислот была более-менее случайной. Пептиды от протеасомы разрушали клеточные мембраны бактерий – это один из клюючевых признаков антибактериальных пептидов вообще. В экспериментах с больными мышами, у которых бактерии были в лёгких и в крови, синтетические PDDP-пептиды ограничивали распространение инфекции, причём их эффективность была сравнима с обычными антибиотиками вроде тобрамицина.
В здоровой клетке протеасомный комплекс расщепляет мусорные белки на короткие пептиды. В клетке с бактериальной инфекцией к протеасоме присоединяются белки PSME3, которые настраивают её так, чтобы при расщеплении белков появлялись антибактериальные пептиды с положительным зарядом. Такие пептиды взаимодействуют с бактериями, разрушая их клеточные мембраны. (Иллюстрация: Nature)
В статье в Nature говорится, что протеасомы всё время производят небольшое количество антимикробных пептидов, однако их уровень резко подскакивает по случаю бактериальной инфекции. При появлении бактерий в клетке к протеасомным комплексам присоединяются белки PSME3 – они настраивают протеасомы так, чтобы они стригли полипептидные цепи в тех местах, где есть аминокислотные остатки с положительным зарядом (то есть остатки-катионы). Смысл здесь в том, что именно пептиды с катионными остатками аминокислот хорошо взаимодействуют с бактериями. Чтобы получить такой пептид, длинную аминокислотную цепь нужно разрезать так, чтобы потенциальный катионный остаток оказался с краю (причём с определённого краю) – только тогда он приобретёт положительный заряд. Белки PSME3 как раз и помогают протеасомам работать так, чтобы из белкового мусора получалось как можно больше антибактериальных пептидов.
Пока что неясно, насколько такие пептиды долговечны, насколько эффективны против разных видов бактерий и как они взаимодействуют с другими защитными системами, с иммунными белками и клетками. Но если окажется, что производство антибактериальных пептидов с помощью протеасомы можно искусственно стимулировать без особого вреда для организма, то, возможно, они станут дополнительным подспорьем в борьбе с патогенными бактериями – особенно с теми, которые приобрели устойчивость к обычным антибиотикам.
