Поиск новых антибиотиков22.04.2016 07:37

Микробиолог Константин Северинов о коммуникации бактерий, биоинформатическом анализе и трансгенных организмах

Проблема устойчивости возбудителей бактериальных инфекций к антибиотикам сейчас на слуху. Можно часто прочесть, что надвигается кризис и в скором времени врачи не смогут лечить с помощью имеющихся в их арсенале антибиотиков болезни, которые до недавнего времени мы могли излечить благодаря каким-то нехитрым веществам. И хотя антибиотики, конечно, очень важные вещества, но, с точки зрения фундаментального биолога, интересно не то, как люди используют их для лечения самих себя, а скорее интересен вопрос о том, зачем бактериям вообще нужны антибиотики, как они их делают и для чего используют.

Выясняется, что антибиотики (более общее название — биологически активные вещества) — это просто язык, с помощью которого бактерии общаются. Так как у них нет коммуникационной системы, как у людей, то они общаются друг с другом путем химических сигналов, которые позволяют одной бактерии дать информацию другим бактериям о том, что, например, это место занято и здесь присутствует или отсутствует тот или другой источник пищи. Такая химическая коммуникация, алфавит.

Биоорганическая химия тех веществ, которые используются для коммуникации, очень интересна. В природе они встречаются довольно редко. И для того, чтобы сделать такие вещества, нужны специальные ферменты, белки, которые из простых предшественников собирают сложные молекулы. С их помощью можно обмениваться друг с другом и передавать какие-то сигналы.

И мне, как биохимику, интересно, как такие химические структуры возникают. Другой вопрос — это лечение благодаря этим веществам. Для бактерии-продуцента чего бы то ни было — допустим, это будет антибиотик, то есть вещество, способное убивать других бактерий, — нужно решить целый ряд задач, которые совсем не кажутся простыми. Во-первых, нужно уметь сделать этот антибиотик. Во-вторых, нужно каким-то образом не быть убитым самим антибиотиком, который ты производишь, нужно его каким-то образом выделить наружу, чтобы твои соседи могли почувствовать твое присутствие, но самому при этом сохранить жизнеспособность. Само по себе это соображение сразу показывает, что популярные идеи найти магическую пулю-антибиотик, который вылечит и решит все проблемы бактериальной устойчивости, — задача нерешаемая.

Генная устойчивость к антибиотикам присутствует в тех самых организмах, которые их производят. Просто так устроена природа. В моей лаборатории нам интересно попытаться охарактеризовать как можно больше антибиотиков. Необходимо, чтобы это были различные антибиотики. Мы смотрим на них именно с позиции такой химической красоты и биологического механизма их действия, как именно то или другое химическое вещество способно угнетать рост того или другого микроба. Ведь для того, чтобы произошло такого рода угнетение, нужно, чтобы то вещество, которое было произведено продуцентом, попало внутрь чувствительной клетки. Должна быть специальная система транспорта.

Само по себе это вещество не попадет внутрь чувствительной клетки. Внутри этой чувствительной клетки она должна связаться с какой-то мишенью, с компонентами какого-то существенного для жизни процесса, остановить этот процесс, в результате чего чувствительная клетка остановит свой рост. Получается довольно сложный путь. И надо понимать, что, так как антибиотики очень разнообразные, пути их действия и механизмы тоже очень разнообразные.

Лишь очень маленькое количество антибиотиков из всех, которые известны на сегодняшний день, реально используются в практике. То есть речь идет о десятках тысяч известных веществ, из которых используется буквально несколько дюжин. Это не означает, что те вещества, которые не используются, неинтересны. С точки зрения биологии и эволюции они достойны внимания. Это вещества, которые пока почему-то не нашли применения в практике, и с помощью новых методов, которые у нас есть, мы можем создать что-то более удобное для использования.

И работа, которой мы занимаемся, в значительной степени связана с биоинформатическим анализом. В последнее время появилось огромное количество последовательностей ДНК, содержащих гены тех или других микроорганизмов. Большинство этих микроорганизмов никто никогда в руках не держал. Мы ушли из золотого века охотников за микробами, когда люди, например Зельман Ваксман в институте, в котором я работаю в Америке, буквально направляли своих сотрудников в различные места и просили их культивировать бактерии из того или другого образца почвы, с тем чтобы посмотреть, не может ли эта культивируемая бактерия, выросшая на чашке Петри, произвести какое-нибудь токсичное вещество.

Сейчас так никто не делает. Выяснилось, что подавляющее большинство бактерий просто не может быть культивировано у нас в лаборатории. Мы не знаем, какие условия питательной среды должны быть созданы для той или иной бактерии. Эта бактерия там есть, но она просто не растет. Несмотря на то, что расти мы эту бактерию заставить или убедить не можем, мы сможем с помощью методов секвенирования последовательности ДНК определить гены этой бактерии. Бактерии нет, но есть ее гены, генетическая информация, необходимая для того, чтобы создать продукты генов этой бактерии, в частности, например, антибиотики. Антибиотики сами по себе генами не кодируются, но производятся за счет действия ферментов белков, которые кодируются генами.

Такие огромные массивы данных, огромные длины последовательностей ДНК могут быть проанализированы специальными программами. Они позволяют вам сказать, похож или не похож продукт того или иного гена, той или другой последовательности ДНК на нечто, что могло бы участвовать в биосинтезе какой-то уникальной химической группы, может ли обеспечивать продукт этого или другого гена устойчивость к какому-то антибиотику.

Как правило, антибиотикоустойчивость обеспечивается на уровне насоса. На мембране клетки находится насос, который выкидывает какое-то вещество наружу. Таким образом вы создаете устойчивость. Мы фактически занимаемся предсказаниями: смотрим на последовательности генов и пытаемся понять, не может ли тот или другой ген или комплекс генов быть ответственным за синтез какого-нибудь нового антибиотика. И если мы решаем, что такое возможно, встает вопрос валидации или экспериментальной проверки сделанных нами предсказаний. Тут мы переходим на уровень современной молекулярной генетики, молекулярного клонирования, когда комплекс генов, участков ДНК, которые, по нашим соображениям, могут быть ответственны за синтез того или другого антибиотика, переносятся в так называемого суррогатного хозяина, то есть в модельный организм, модельную бактерию. Мы очень хорошо знаем, как культивировать ее в лаборатории. Модельная бактерия — это так называемый суррогатный хозяин, и фактически мы создаем трансгенный организм. Мы вводим в эту бактерию, например, кишечную палочку, гены того организма, который, возможно, производит какой-то антибиотик.

Мы посылаем письма в самые экзотические места по всему миру и просим прислать нам образец той ДНК, где ученые обнаружили такую бактерию. Часто это делать даже не приходится, потому что современные методы химического синтеза позволяют делать реально синтетические гены, то есть мы можем по последовательности ДНК, находящейся в базе данных, сделать новую химическую молекулу ДНК, которая содержит всю информацию, необходимую, как мы считаем, для синтеза нового антибиотика.

Такая ДНК вводится в модельную клетку, затем мы начинаем проводить различные физиологические опыты, чтобы посмотреть, не приобрела ли эта клетка новое свойство, не стала ли она производить какое-то новое вещество. При этом, как правило, мы не знаем, что это за вещество. Мы можем посмотреть, не обладает ли оно какой-то антибактериальной активностью, но вовсе не обязательно, что это будет так. Используется очень мощное аналитическое оборудование, масс-спектрометры, которые позволяют с удивительной точностью и с исключительной чувствительностью взвешивать молекулы и определять точный молекулярный вес, а затем с помощью электромагнитного поля разваливать такую молекулу на ее составляющие, пытаясь определить, из чего состояла эта молекула. Это такое решение задач типа пазла, когда мы берем некую сложную вещь, разваливаем ее на куски, пытаемся понять, как эти куски потом вместе образовывали целое.

Чаще, конечно, ничего не получается. То есть вероятность правильности наших предсказаний где-то 20–30%. Но иногда нам удается получить новые вещества, которые раньше не были описаны и не были известны. И тут начинается самое интересное, а именно изучение того, как такие вещества синтезируются, как они клетками-продуцентами производятся и действуют ли они на какие-нибудь бактерии.

Само по себе действие бактерий нам неинтересно с медицинской точки зрения. Мы не ставим задачу вылечить кого-то от чего-то. Очень часто наши новые вещества действуют на бактерии, которые сами по себе непатогенны. Но мы пытаемся пройти весь путь от производства вещества до его экспорта наружу, до его вхождения в чувствительную клетку и взаимодействия с мишенью.

Достоинство этой работы в том, что она абсолютно бесконечна. Разнообразие бактерий гигантское, и существует много разных биоактивных веществ, которые в ходе эволюции бактерии научились производить. Ньютон говорил, что он чувствует себя маленьким ребенком на берегу моря, который просто поднимает красивые камушки. У нас этих камушков миллиард, и каждый из них может быть прекрасен.

Несмотря на то, что большую часть времени мы, конечно же, занимаемся удовлетворением своего собственного любопытства, деятельность наша не вполне бесполезна, потому что с какой-то очень малой вероятностью некоторые из новых веществ, которые мы производим, или изучаем, или открываем, могут действительно оказаться будущими блокбастерами. Другой вопрос: чтобы найти его, конечно, нужно будет перевернуть очень много камней, счет должен идти не на десятки, а на сотни, может быть, даже на тысячи.
Потому что для того, чтобы стать действительным антибиотиком, который будет использоваться в практике, веществу мало обладать антибактериальной активностью, а оно должно хорошо переноситься человеком, не должно быть токсичным. Многие ранние антибиотики были очень токсичными для людей. Это вещество можно получить в больших количествах, потому что речь идет иногда о крупнотоннажных производствах.

Есть масса ограничений, которые вообще находятся не в нашей сфере интересов. Но, насколько возможно, мы сотрудничаем с людьми, которые заинтересованы в практических аспектах такого рода вещей, и тогда, конечно же, наша работа просто сводится к тому, что мы после первичной характеристики веществ сотрудничаем с медиками, которые пытаются проверить, а не может ли быть так, что некоторые из наших веществ действительно действуют на какие-то патогены, вызывающие проблемы в клинике. В одном из десяти случаев наши вещества оказываются хоть как-то интересными для них.

На этой стадии мы расстаемся с нашими веществами, потому что дальше уже совсем не наша сфера. Дальше кто-то другой должен пытаться выводить их на рынок, если хотите, коммерциализировать. На самом деле просто проводят доклинические исследования. Это очень дорогая часть работы, требующая много времени, она крайне важна, но уже не относится к фундаментальной науке.