Выносливые микробы горячих источников предлагают новый источник антибиотиков

Фото из открытых источников

Археи, микробы, составляющие наименее изученную ветвь древа жизни, являются домом для множества потенциальных источников новых антибиотиков, согласно двум отчётам, опубликованным на этой неделе. Известные своей способностью процветать в экстремальных условиях, таких как кипящие горячие источники и солончаки, археи также существуют бок о бок с бактериями во многих средах. 

Теперь две группы предполагают, что соседство, возможно, побудило сотни видов архей выработать уникальные химические защитные механизмы, некоторые из которых убивают бактерии, вызывающие заболевания у людей, и устойчивы к обычным антибиотикам. Хотя соединения архей пока далеки от того, чтобы быть проверенными лекарствами, результаты подчёркивают, что эти микробы могут стать богатой жилой для исследователей антибиотиков.

По словам Джима Коллинза, биоинженера из Массачусетского технологического института, занимающегося разработкой антибиотиков, статьи, опубликованные в журналах Nature Microbiology и PLOS Biology, «потрясающие». «Я удивлён, что мы раньше не обратили внимание на археи».

Когда-то считавшиеся бактериями, археи теперь признаются отдельным доменом жизни, основываясь на генетических и биохимических различиях с бактериями и эукариотами, к которым относятся грибы и многоклеточные организмы. Например, у архей нет такой же внешней клеточной стенки, как у бактерий, и у них нет отдельного ядра клетки и связанных с мембраной органелл, как у эукариот. Тем не менее, археи, бактерии и одноклеточные эукариоты живут бок о бок во многих средах, например, в пищеварительном тракте людей, где они помогают производить метан, и в заднем отделе кишечника термитов, где они помогают переваривать древесину. «Если они живут вместе в одной нише, скорее всего, они не всегда ладят», — говорит Тобиас Варнеке, биохимик из Оксфордского университета.

Чтобы выяснить, подтолкнул ли потенциальный конфликт архей к созданию арсенала антибиотиков, исследователи под руководством Сесара де ла Фуэнте Нуньеса, биомолекулярного инженера из Пенсильванского университета, обучили алгоритм искусственного интеллекта (ИИ) сканировать их протеомы — полную аминокислотную последовательность всех белков организма. Они искали фрагменты белков, называемые зашифрованными пептидами, которые часто обладают антимикробными свойствами и обычно образуются при расщеплении более крупных белков. Сканирование протеомов 233 видов архей выявило более 12 600 вероятных зашифрованных пептидов, сообщают Нуньес и его коллеги в журнале Nature Microbiology.

ИИ также оценил вероятность наличия антимикробной активности у каждой находки, и команда Нуньеса синтезировала 80 наиболее перспективных пептидов. Группа обнаружила, что 93% из них проявили антибактериальную активность in vitro против опасных человеческих патогенов, таких как золотистый стафилококк и клебсиелла пневмонии. Дальнейшие исследования in vitro показали, что большинство этих пептидов убивают бактерии, деполяризуя их внутреннюю цитоплазматическую мембрану, что существенно отличается от стратегии многих известных антимикробных пептидов, которые обычно прокалывают наружную мембрану бактериальных клеток.

Коллинз называет этот механизм «очень интересным открытием». Наконец, команда Нуньеса продемонстрировала на мышах, что один пептид, называемый археазин-73, снижает количество опасных бактерий, инфицирующих раны, так же эффективно, как полимиксин B, антибиотик последнего ряда.

В отдельной работе, описанной сегодня в PLOS Biology, Варнеке и его коллеги подошли к антимикробной охоте у архей с другого направления. Бактерии, в отличие от архей, окутывают свои цитоплазматические мембраны клеток стенкой, образованной сетчатой сборкой пептидов, называемых пептидогликанами. Поэтому они задались вопросом, содержат ли археи ферменты, разрушающие пептидогликан, называемые гидролазами, для защиты от вторжения бактерий на свою территорию. Действительно, группа обнаружила эти ферменты у 5% из более чем 3700 видов архей, которые они исследовали. Исследования структуры белков показывают, что многие из них секретируются вне клетки, и команда Варнеке даже нашла доказательства того, что некоторые археи имеют шприцеобразные молекулярные инжекторы для доставки этих белков бактериям. При воздействии бактерий в лабораторных условиях некоторые гидролазы измельчали их пептидогликан и убивали их.

Варнеке и Нуньес предупреждают, что недавно обнаруженные ферменты и пептиды пока далеки от того, чтобы стать лекарствами, способными спасти жизни пациентов. Тем не менее, оба утверждают, что в археях почти наверняка существует ещё множество антибиотиков, которые ещё предстоит открыть. Варнеке говорит: «Это, вероятно, лишь вершина айсберга».