Бактеріальні ферменти та стійкість до антибіотиків

А. М. Єгоров

Хімічний факультет, М.В. Московський державний університет імені Ломоносова, Ленінські гори, 1, корп. 3, Москва, 119991, Росія

М. М. Уляшова

М. Ю. Рубцова

Анотація

Стійкість мікроорганізмів до антибіотиків розвивається більше 2 мільярдів років і широко поширюється серед різних представників мікробіологічного світу. Бактеріальні ферменти відіграють ключову роль у виникненні резистентності. Класифікація цих ферментів базується на їх участі в різних біохімічних механізмах: модифікація ферментів, які діють як антибіотичні мішені, ферментативна модифікація внутрішньоклітинних мішеней, ферментативна трансформація антибіотиків та здійснення реакцій клітинного метаболізму. Основні механізми розвитку резистентності пов'язані з еволюцією надродин бактеріальних ферментів внаслідок мінливості генів, що їх кодують. Колекція всіх генів стійкості до антибіотиків відома як резистом. Десятки тисяч ферментів та їх мутантів, що реалізують різні механізми резистентності, утворюють нову спільноту, яка називається "ферментом". Аналіз структури та функціональних характеристик ферментів, які є мішенями для різних класів антибіотиків, дозволить нам розробити нові стратегії подолання резистентності.

ВСТУП

Стійкість до збудників інфекційних захворювань антибіотиками є глобальною проблемою в біології та медицині [1, 2]. Сучасні протимікробні препарати (ВМД) представляють найбільшу групу фармацевтичних препаратів, що включає 16 класів природних та синтетичних сполук (рис. 1).

Основні класи антимікробних препаратів, їх мішені та їх вплив на основні процеси життєдіяльності бактеріальної клітини

Синтез антибіотиків існує в природі більше 2 мільярдів років. Протягом усього цього часу бактерії виробляли механізми стійкості до їх токсичної дії. Резистентність може відбуватися як адаптивний процес, не пов'язаний зі структурою антибіотика, або розвиватися в результаті відбору стійких штамів мікроорганізмів під впливом антибіотиків. Антропогенні фактори, пов’язані із застосуванням антибіотиків у медицині та, особливо, у сільському господарстві з середини 20 століття, призвели до значної еволюції механізмів стійкості; час, необхідний для формування стійкості до нових препаратів, значно скоротився [3, 4].

Роль бактеріальних ферментів у розвитку стійкості досить різнобічна і включає кілька ключових механізмів (рис. 2) [5]. Ферменти, що беруть участь у біосинтезі клітинної стінки, а також синтез нуклеїнових кислот і метаболітів, служать безпосередньою мішенню для антибіотиків. Механізм стійкості пов'язаний зі структурними змінами цих ферментів. Інший механізм пов'язаний з ферментативною модифікацією структурних елементів, на які впливають антибіотики: наприклад, модифікація рибосом метилтрансферазами. Велика група ферментів модифікує або руйнує структуру антибіотиків, інактивуючи їх. Ферменти, що каталізують метаболічні процеси та модифікують ВМД у формі проліків, також беруть участь у розвитку резистентності.

Класи ферментів, що беруть участь у різних механізмах стійкості до протимікробних препаратів

Бактеріальні ферменти, що визначають резистентність, зазвичай належать до великих надродин; багато з них походять від ферментів, які спочатку мали інші функції [6]. Гени, відповідальні за синтез цих ферментів, та їх мутаційну мінливість часто локалізуються на мобільних генетичних елементах, забезпечуючи тим самим швидке поширення стійкості між мікроорганізмами.

У цьому огляді представлені дані про функціональні особливості основних класів та груп бактеріальних ферментів, що беруть участь у реалізації механізмів стійкості бактерій до ВМД.

БАКТЕРІАЛЬНІ ЕНЗИМИ ЯК ЦЕЛІ ВМД

Білки, що зв’язують пеніцилін

С-кінцеві домени всіх PBP є мішенями для β-лактамних антибіотиків, які складають більше половини всіх застосовуваних зараз ВМД [10]. Ці антибіотики містять β-лактамне кільце, структурний аналог D-Ala-D-Ala дипептиду, і, отже, діють як конкурентні інгібітори PBP. Взаємодія між карбонільною групою в β-лактамному кільці та гідроксильною групою серину в активному центрі PBP призводить до неактивної ацильованої форми ферменту. Незворотне інгібування порушує синтез клітинної стінки бактерій [9, 10].

Основні причини, чому грампозитивні бактерії розвивають стійкість до β-лактамних антибіотиків, включають мутації природних PBP, їх гіперпродукцію та синтез нових PBP, нечутливих до інгібування β-лактамами [11]. На сьогодні поширення штамів золотистого стафілокока, стійких до метициліну та інших напівсинтетичних пеніцилінів та цефалоспоринів, становить загрозу [12]. Стійкість визначається експресією п'ятого ферменту, PBP2a (на додаток до чотирьох природних PBP), який має низьку спорідненість до β-лактамних антибіотиків і проявляє лише транспептидазну активність. На малюнку 4 показано механізм стійкості: без антибіотика обидва домени високомолекулярного PBP беруть участь у біосинтезі пептидоглікану (A); лише домен глікозилтрансферази залишається активним у високомолекулярному PBP у присутності антибіотика, тоді як домен транспептидази ацильований і не утворює зшивок. Саме придбаний низькомолекулярний PBP2a (B) виявляє транспептидазну активність у стійкому штамі. В результаті життєздатність клітин відновлюється.

Роль білків, що зв’язують пеніцилін, у стійкості грампозитивних бактерій до β-лактамних антибіотиків. А - чутливий штам, В - стійкий штам

Ферменти PBP2a кодуються генами mecA [13] або mecC [14]. Гени mecA та mecC разом з генами, що регулюють їх експресію (mecI, mecR1 та mecR2), є компонентами мобільного генетичного елемента хромосоми стафілококової касети mec [15].