Лассо-пептиды


Микробиолог Михаил Метелев о синтезе пептидов, их классификации и секвенировании бактерий

pept.jpg
Модель ДНК (nobel.org.ru)

Сейчас микроцины — это устаревшее понятие, некий пережиток того, как открывались и исследовались такого рода вещества. Изначально микроцинами называли пептидные антибиотики, которые производятся энтеробактериями. Однако подобные по структуре вещества производятся и бактериями из других семейств. Можно найти похожие пептиды, например, в псевдомонадах. Называть все вещества такого рода микроцинами, на мой взгляд, некорректно. Все это является природными веществами. В нашей лаборатории проводятся исследования над микроцинами, относящимися к группе лассо-пептидов, тиазол-оксазол-модифицированных микроцинов и микроцин C-подобных пептидов. Все они имеют принципиально разную химическую структуру, обладают антимикробной активностью и относятся к общему надклассу рибосомально синтезируемых и посттрансляционно-модифицируемых пептидов.

«Рибосомально синтезируемые» означает, что изначально вещества синтезируются на рибосомах, как и обычные клеточные белки, при этом синтезируется полипептидная цепь, которая сама по себе не представляет собой биологически активное вещество. Биологическая активность приобретается вследствие того, что пептиды каким-то образом химически модифицируются, после того как были синтезированы на рибосомах, то есть после трансляции (вот откуда берется вторая часть их названия «посттрансляционно-модифицируемые»). В зависимости от того, какая химическая модификация вносится, вещество нужно относить к тому или другому подклассу.

Интересным примером рибосомально синтезируемых и посттрансляционно-модифицируемых пептидов, на мой взгляд, являются лассо-пептиды. В чем заключается модификация в случае лассо-пептидов? В результате модификации рибосомально синтезируемый линейный полипептид заворачивается в узел. Пептид приобретает форму, напоминающую лассо, то есть сворачивается в структуру, похожую на удавку. Получающаяся молекула очень компактная и очень стабильная, в частности, в течение длительного времени не подвержена гидролизу. Когда пептид свернут в узелок, к пептидным связям сложно подобраться. При этом тот же самый линейный пептид не имеет биологической активности, а компактная узелкоподобная молекула уже активна и относится к группе лассо-пептидов.

Другим примером модификации является введение гетероциклов. Например, в классе тиазол-оксазол-модифицированных микроцинов, которыми мы тоже занимаемся в лаборатории, определенные аминокислотные остатки подвергаются модификации, приводящей к образованию гетероциклов, придающих стабильность веществу и жесткость структуре.

Все микроцины относятся к большому классу рибосомально синтезируемых посттрансляционно-модифицированных пептидов. Дальше их нужно разделять на подклассы на основании химической структуры и пользоваться номенклатурой, которая стала сейчас общепринятой. Необходимо производить разделение по классам на основании структуры, а не по тому, где их изначально нашли.

Приведу пример. Наиболее изученным представителем среди лассо-пептидов является микроцин J25. Он был назван микроцином, потому что это пептидный антибиотик, который производится бактериями E. Coli. Но похожие пептиды со структурой лассо можно найти, например, в почвенных актинобактериях. При этом никакого отношения к энтеробактериям они не имеют. Будет разумнее, если и микроцин J25, и эти другие лассо-пептиды будут помещены в один класс.

Классов рибосомально синтезируемых посттрансляционно-модифицируемых пептидов выделяют сейчас порядка 20–30, в нашей лаборатории занимаются только тремя. Общим для них является то, что синтезируется пептид, а потом он сворачивается, модифицируется, становится устойчивым и активным. В зависимости от того, каков был механизм этого превращения, нужно разделять вещества на классы и с классами отдельно работать. Это разделение данных веществ с точки зрения биохимии их образования. С точки зрения изучения биологической активности, может быть, неважно, как вещества были синтезированы, важно изучать уже их механизм действия, а это отдельный вопрос.

Есть достаточно неплохо изученные микроцины, например микроцин J25, микроцин С, микроцин B17. Существуют отработанные методики их выделения и проверки их активности. Для новых веществ, как правило, оптимизируются старые методики. Одной из главных задач для нас является получение как можно большего числа еще не изученных разнообразных пептидных антибиотиков. Затем мы изучаем их активность и механизм действия.

В первую очередь необходимо найти бактерии-продуцентов таких новых веществ, и здесь мы пользуемся методом, который стал доступен в настоящее время, — биоинформатическим предсказанием продуцентов лассо-пептидов, а затем подтверждением того, что бактерии действительно могут их производить. То есть работа начинается с того, что нужно найти бактерии, которые могли бы производить интересные вещества.

Как это происходит? Сейчас бактерий секвенируют очень много. Каждый месяц в общую базу данных выкладываются сотни геномов бактерий. В этих геномах закодирована информация о том, что эта отсеквенированная бактерия могла бы синтезировать. Отталкиваясь от того, что мы знаем, какие гены необходимы для синтеза природных веществ, можно производить направленный поиск по секвенированным геномам и находить бактерии, в геномах которых закодированы такого рода вещества.

Если мы фокусируемся на пептидах, которые обладают антибактериальной активностью, то дальше проводится скрининг на способность вещества ингибировать рост различных штаммов бактерий, в основном тестируются штаммы, которые являются человеческими и растительными патогенами. У нас есть стандартная панель штаммов, которые интересно протестировать. Это Pseudomonas aeruginosa (синегнойная палочка), Klebsiella pneumoniae (может вызывать пневмонию) и различные представители рода Bacillus, а также Acinetobacter baumannii. Проверяется, способен ли исследуемый пептид ингибировать рост этих бактерий или неспособен. Если обнаруживается, что вещество ингибирует рост каких-нибудь бактерий, соответственно, дальше нужно разбираться, каким образом происходит ингибирование, то есть выявлять механизм действия этого вещества.

В коллаборационном проекте с лабораторией из Соединенных Штатов мы нашли новый пептид, который, в частности, довольно эффективен против сибирской язвы. Мы обнаружили бактерию, способную производить лассо-пептид, структурно его охарактеризовали и показали, что он убивает бактерии. При открытии новых антибиотиков еще всегда интересен механизм устойчивости, который потенциально может возникать. Устойчивость к антибиотикам — это то, о чем сейчас много говорят, и принципы механизмов того, как возникает устойчивость, — это очень интересный вопрос.

Описанный путь не является альтернативным подходом в борьбе с бактериями, но является альтернативным способом поиска антибиотиков. Если вещество обладает антибактериальной активностью, мы пытаемся сразу же определить, чего от него ожидать, каким образом бактерии могли бы увильнуть от его действия.

metelev.jpg

кандидат биологических наук, инженер-исследователь НИК «Нанобиотехнологии» СПбПУ Петра Великого

Полный текст статьи читайте на Postnauka.ru