Заказной инстинкт: ученые придумали, как обмануть рецепторы патогенных бактерий
- Статьи
- Наука и техника
- Заказной инстинкт: ученые придумали, как обмануть рецепторы патогенных бактерий
Ученые из МФТИ исследовали две сенсорные способности микроорганизмов: «чувство обоняния» и «чувство локтя». Первое помогает микробам взаимодействовать с окружающими клетками и понимать, что происходит вокруг. Второе дает им возможность коммуницировать друг с другом и, к примеру, атаковать организм человека вредоносной колонией. Российские исследователи изучили рецепторы, которые помогают бактериям «дружить» и «нюхать» на структурном уровне, и поняли, что развитие любой инфекции можно остановить путем разрушения этих сенсорных способностей. В дальнейшем методика «обмана» чувств «кворума» и обоняния бактерий позволит ученым победить многие болезни.
Бактериальный «нос»
Выяснилось, что общение бактерий возможно из-за специфических белков, рассказал «Известиям» заведующий лабораторией структурного анализа и инжиниринга мембранных систем МФТИ Иван Гущин.
— Мы занимаемся мембранными белками. Каждая клетка — и бактериальная, и человеческая — покрыта мембранной оболочкой, — пояснил он. — Тогда как некоторые белки плавают внутри клетки, многие сидят в мембране и отвечают за общение этой клетки с внешним миром.
Общение бактерий происходит через обмен веществами с окружающей средой. Процесс того, как бактерии узнают, что происходит вокруг них, получил название «обоняние». Ученые изучили мембранные рецепторы бактерий, которые и позволяют им «унюхать» (почувствовать), какие вещества находятся вокруг. В среднем у одной бактерии может быть порядка 25 таких рецепторов. Ивану Гущину и его коллегам первым в мире удалось получить рентгеновское изображение кристаллической структуры мембранной части такого рецептора. Для этой работы было использовано оборудование исследовательского центра в городе Юлих (Германия).
— Сам по себе рецептор — это белковая молекула, которая пронизывает мембрану. И у него есть две части. Часть, которая находится снаружи мембраны, связываясь с сигнальной молекулой вещества извне, меняет свою структуру. Это изменение передается через трансмембранный участок внутрь клетки. Эта внутренняя часть начинает фосфорилировать, то есть образовывать сложные эфиры фосфорной кислоты. Реакция идет, только когда наружная часть белка связала свою сигнальную молекулу, — рассказал Иван Гущин.
По этой проходящей внутри клетки бактерии реакции она и узнает, что происходит снаружи. К примеру, если извне поступило некое питательное вещество, то бактерия начинает выделять ферменты, чтобы его переварить. Если же это сигнал об опасности, то бактерия начинает вырабатывать специальные «нападательные» белки — токсины.
Дальнейшие исследования «обоняния» бактерий позволят ученым лучше узнать, как устроены зачинщики инфекций, и научиться их обманывать. Например, если бактерия «унюхает» рану на теле человека, она может двигаться в ее сторону. А если «обмануть» рецепторы «обоняния», микроб может просто пойти по ложному следу.
Такой обман микроорганизмов будет способствовать тому, что в дальнейшем человеку не нужно будет убивать бактерии для спасения от болезней, что особенно актуально в условиях, когда микробы вырабатывают устойчивость к антибиотикам. Можно будет просто нарушить «обоняние» патогенной бактерии.
Микробы идут в атаку
Однако не только обоняние позволяет бактериям атаковать человеческий организм. Еще одна сенсорная способность бактерий, которую изучают в МФТИ, — это «чувство кворума», или «чувство локтя». Именно оно дает микроорганизмам возможность общаться и координировать свое поведение за счет секреции молекулярных сигналов.
— Мы изучаем сенсоры, которые ответственны за эту способность к взаимодействию, — рассказал Иван Гущин. — Она напрямую связана с возникновением инфекции. Бактерия боится атаковать организм одна — иммунитет ее поборет. Поэтому микробы выбирают такую стратегию: они сначала незаметно размножаются, а в момент, когда понимают, что их стало много, начинают атаку.
Для того чтобы выяснить, сколько их, бактерии постоянно выбрасывают наружу некие вещества. Именно их концентрация дает понять, набралось ли достаточно «микроскопических солдат» для атаки. Если же разрушить этот клеточный механизм, можно предотвратить образование патогенных колоний — биопленок. Ученые МФТИ на данном этапе изучают структуру одного из рецепторов, ответственных за «чувство локтя».
— Сигнальная молекула, действующая на этот рецептор, который называется QseC, не известна — и это является одной из причин, по которой мы работаем с ним, — отметила заместитель заведующего лабораторией структурного анализа и инжиниринга мембранных систем МФТИ Алина Рамеева. — Имея в руках большое количество белка, мы сможем попробовать проверить связывание различных веществ, а если получится определить структуру белка, то, возможно, получится угадать сигнальную молекулу по форме кармана в белке, который ее связывает.
Полная победа над инфекциями
В дальнейшем полученные знания помогут ученым «рассорить» бактерии. У исследователей появится возможность придумать, как разрушить сигнальную молекулу, например, ввести антитело, которое будет ее связывать, или фермент, который будет расщеплять. Это, в свою очередь, позволит найти механизм уничтожения инфекций без применения антибиотиков.
Факты о том, что бактерии получают много информации об окружающей среде и способны коммуницировать, тем самым координируя свои действия, известны достаточно давно. Однако многие молекулярные механизмы, лежащие в основе этого процесса, до сих пор были изучены недостаточно, сообщил «Известиям» директор Института молекулярной медицины Сеченовского университета Андрей Замятнин.
— Работа ученых из МФТИ позволяет лучше понимать такие механизмы, а значит, дает новые возможности для управления поведением микроорганизмов, — отметил ученый. — Знания могут быть полезны как в медицине при лечении инфекционных заболеваний, так и в биотехнологии, в том числе при производстве пищевых продуктов, где давно применяются самые разнообразные микроорганизмы.
Результаты исследования ученых Физтеха, возможно, станут основой медицины будущего, предположил руководитель Центра геномной и регенеративной медицины Школы биомедицины ДВФУ (вуз — участник проекта «5-100») Александр Каганский.
— Есть ощущение, что исследователи заглянули на следующую страницу развития медицины. Думаю, впереди еще большая практическая часть. Научиться синтезировать обманные молекулы или вводить бактерии в заблуждение иным способом — это огромная работа, — отметил он.
Исследования чувств «обоняния» и «локтя» на Физтехе поддерживает Российский научный фонд.
