Ученые выявили фермент, благодаря которому микобактерии, вызывающие туберкулез, способны избегать воздействия иммунной системы и антибиотиков. Данный фермент участвует в формировании молекул, повышающих прочность мембраны бактериальной клетки и снижающих скорость метаболизма в ней. Полученные сведения могут быть использованы для создания новых препаратов против туберкулеза. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале International Journal of Biological Macromolecules.
Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, в 2024 году число людей во всем мире составило 10,7 миллиона были больны туберкулезом. Это заболевание вызывают микобактерии ( Mycobacterium tuberculosis), эти клетки обладают способностью впадать в длительный период «спячки» после проникновения в организм человека. В таком состоянии они не размножаются, но приобретают высокую устойчивость к негативным факторам, таким как воздействие антибиотиков и атаки иммунной системы. Как следствие, даже после кажущегося успешным лечением спустя годы туберкулез может возобновиться, поскольку спящие микобактерии вновь активируются.
Исследования показали, в состоянии покоя в клетках бактерий накапливается специфическое вещество — тетраметиловый эфир копропорфирина. Копропорфирин представляет собой молекулу сложной кольцевой структуры. При присоединении к ней четырех дополнительных метильных групп образуется эфир, который накапливается в клеточной стенке бактерий. Это вещество повышает устойчивость бактерий к воздействию неблагоприятных факторов, таких как иммунная система и окислительный стресс. Высокие концентрации этого соединения в мембране микобактерий приводят к снижению активности дыхания бактерий, что, в сочетании с другими изменениями в обмене веществ, способствует их переходу в состояние покоя. Тем не менее, механизм этого превращения оставался неясным до недавнего времени.
Ученые из Федеральный исследовательский центр РАН «Фундаментальные основы биотехнологии (Москва) и Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук (Москва) открыли фермент, который отвечает за превращение копропорфирина в его эфир.
Используя белковые базы данных, исследователи провели анализ потенциальных ферментов у микобактерий и отобрали наиболее подходящий вариант на основе ряда молекулярных характеристик. После этого ученые создали искусственные клетки микобактерий, которые либо активно производили выбранный фермент, либо были не способны к его синтезу.
При избыточном количестве фермента бактерии накапливали тетраметилового эфира в девять раз превышающее нормальные показатели и демонстрировали значительно более высокую устойчивость к условиям, моделирующим воздействие иммунной системы человека и антибиотиков. Микобактерии, лишенные данного фермента, менее эффективно производили защитные молекулы, что негативно сказалось на их способности к выживанию. Тем не менее, исследователи пришли к заключению, что данный ключевой процесс обеспечивается резервными ферментами, выполняющими аналогичные функции.
Авторы провели компьютерное моделирование, которое показало, что функционирование этого фермента основано на нестандартном принципе, напоминающем работу карусели. Молекула копропорфирина попадает в активный центр и, находясь там, изменяет свое положение, поворачиваясь. В процессе этого на нее присоединяются четыре метильные группы. Это обеспечивает прямой синтез тетраметилового эфира, исключая промежуточные этапы и, как следствие, увеличивая эффективность реакции.
Формирующийся эфир интегрируется в мембрану бактерии, повышая ее прочность и снижая интенсивность метаболических процессов. Это служит сигналом для перехода клетки в режим экономии энергии, что обеспечивает более длительное выживание в неблагоприятной среде. В таком состоянии микобактерии избегают воздействия иммунной системы и лекарственных препаратов в организме человека.
«Учитывая, что данный фермент проявляет активность только в периоды покоя микобактерий, он представляет интерес как потенциальная мишень для создания лекарственных средств против туберкулеза. Блокирование его действия не позволит бактерии переходить в состояние покоя, что сделает ее более восприимчивой к воздействию иммунной системы и антибиотиков. В дальнейшем мы планируем выявить все ферменты-участники этого нового биохимического пути в микобактериях, а также в экспериментах на патогенных штаммах туберкулезных и нетуберкулезных микобактерий выяснить роль тетраметилового эфира копропорфирина в вирулентности и патогенезе с использованием моделей туберкулеза и микобактериозов у мышей », — сообщает руководитель проекта, реализованного при поддержке гранта РНФ, Маргарита Шлеева, доктор биологических наук, заведующая лабораторией биохимии стрессов микроорганизмов ФИЦ Биотехнологии РАН.