Ученые зафиксировали, как антибиотик пробивает «броню» бактерии

Война с бактериями все чаще напоминает гонку вооружений: ученые создают новые антибиотики, а микробы — новые способы защиты. Особенно сложно бороться с так называемыми грамотрицательными бактериями. К этой группе относят возбудителей пневмонии, менингита, брюшного тифа и многих других опасных заболеваний.

Их главная сила — уникальное строение клеточной стенки. Это настоящая крепость. Внутри у бактерии есть основная цитоплазматическая мембрана. Но снаружи ее окружает вторая, очень прочная стена — внешняя мембрана. Ее главные строительные блоки — макромолекулы липополисахаридов. Они плотно упакованы и создают почти непробиваемый барьер для большинства лекарств. Именно эта защита делает грамотрицательные бактерии такими устойчивыми.

Когда обычные антибиотики бессильны, врачи вынуждены применять тяжелую артиллерию — препараты группы полимиксинов. Их используют как последнее средство спасения. Ученые давно знали, что полимиксины каким-то образом атакуют внешнюю мембрану грамотрицательной бактерии, но детали этого процесса оставались загадкой. Исследователи не до конца понимали «механизм убийства» и не могли объяснить, почему иногда даже эти мощные препараты терпят неудачу.

Группа британских ученых под руководством биолога Эндрю Эдвардса (Andrew Edwards) из Имперского колледжа Лондона попыталась подробно разобраться в этом вопросе. Результаты своей работы ученые представили в журнале Nature Microbiology.

Эдвардс и его коллеги применили комбинацию биохимических методов с использованием сканирующего атомно-силового микроскопа. Этот тип микроскопии позволяет различать объекты размером в несколько нанометров. Крошечная игла, как сверхчувствительный палец, ощупывает поверхность клетки и создает ее детализированное трехмерное изображение.

Ученые направили этот мощный инструмент на кишечную палочку Escherichia coli — классическую грамотрицательную бактерию. Они обработали ее полимиксином B (один из двух основных клинически используемых полимиксинов наряду с колистином).

На глазах у исследователей на идеально гладкой поверхности клетки начали появляться странные выпуклости и вздутия. Эти бугры прорывались наружу, словно пузыри. А уже через несколько минут после их появления бактерия начинала стремительно терять свои защитные липополисахариды. Ученые напрямую обнаружили эти молекулы в питательном растворе, где плавала бактерия.

Выяснилось, что антибиотик не разрушает клеточную стенку одним ударом, а действует как «сапер». Его присутствие сбивает бактерию с толку. Микроорганизм чувствует атаку на свою броню и в панике пытается усилить ее, спешно добавляя все новые и новые «кирпичи» липополисахаридов.

Здесь и кроется подвох. В этом аврале бактерия теряет контроль над процессом. Пока она добавляет новые кирпичи в одну часть стенки, одновременно теряет старые из других участков. В ее прочной обороне возникают временные бреши.

«Антибиотик работает как лом. Он помогает этим кирпичам выпадать из стенки. Внешняя мембрана при этом не распадается целиком; вместо этого в ней образуются локальные дефекты — сквозные участки, через которые антибиотик добирается до внутренней мембраны и там наносит смертельный удар», — объяснил Эдвардс.

Однако у этой истории есть и вторая, еще более важная глава. Ученые наконец поняли, почему полимиксин B иногда не срабатывает. Оказалось, весь описанный механизм работает только против активных, растущих бактерий.

Микроорганизмы — хитрые противники. Когда условия становятся неблагоприятными, например, исчезают питательные вещества, они могут впадать в состояние покоя, своего рода спячку. В этом состоянии их метаболизм замедляется, они не растут и не размножаются, но и не умирают, а просто ждут.

Эдвардс и его коллеги выяснили, что спящие бактерии перестают производить свою броню. А раз строительство остановилось, то и полимиксин B не может ничего поделать. Ему не на что воздействовать. Бактерия в спячке становится невидимой для лекарства.

Но и против этой уловки ученые нашли прием. Специалисты попробовали «разбудить» спящие E. coli, добавив в среду сахар — простой источник питания. Эксперимент увенчался успехом. Бактерии вышли из спячки и в течение 15 минут возобновили производство липополисахаридов. В тот же момент полимиксин B снова стал эффективным и уничтожил их.

По мнению авторов научной работы, теоретически можно попытаться пробуждать спящие бактерии в организме пациента с помощью определенных сахаров, чтобы затем убить их полимиксином. Но в этом есть риск. Пробуждение спящих патогенов с помощью сахаров может привести к их быстрому размножению и резкому обострению болезни.

Более перспективный путь — использовать полученные знания для разработки комбинированной терапии. Можно создать препараты, которые будут одновременно атаковать бактерию по нескольким направлениям. Одни лекарства будут обходить состояние спячки, не пробуждая микроорганизмы, а другие — наносить точный удар через механизм, который теперь ученым полностью ясен. Такой подход, вероятно, поможет справиться даже с самыми устойчивыми патогенами.