Ученые выяснили, как бактерии золотистого стафилококка противостоят действию антибиотиков

Сотрудники Казанского федерального университета и Страсбургского университета установили, каким образом бактерии золотистого стафилококка противостоят действию антибиотиков. В этом им помогают рибосомы — органоиды клетки, отвечающие за синтез белков. Ученые определили структуру рибосом и механизм, благодаря которому развивается устойчивость к противомикробным препаратам. Работа была выполнена в рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом, а ее результаты были опубликованы в журналах The EMBO Journal и Nucleic Acids Research.

Золотистый стафилококк Staphylococcus aureus — шарообразная грамположительная бактерия. Это значит, что после окраски микроорганизмов по методу Грама и при последующем промывании спиртом она сохраняет фиолетовую окраску. Стафилококки сохраняются на кожных покровах и в слизистых оболочках верхних дыхательных путей и вызывают как легкие кожные инфекции, например, фурункул или угри, так и смертельно опасные заболевания, такие как менингит и пневмония.

Ученые исследовали штамм метициллин-устойчивого золотистого стафилококка — культуру микроорганизмов, изолированную и размноженную на специальной питательной среде. Этот штамм обладает повышенной устойчивостью к антибиотикам, пенициллинам и цефалоспоринам, поэтому необходимо искать новые противомикробные агенты — действующие вещества новых лекарств. Одна из мишеней для антибиотиков — бактериальная рибосома — органоид, синтезирующий белок в клетке. Более 40% клинически используемых антибиотиков нацелены против активности рибосомы.

Ученые выяснили, что в стрессовых для клеток бактерий условиях, например в присутствии антибиотика, происходит замедление биосинтеза белка за счет того, что рибосомы переходят в «спящее» состояние. Делают они это путем связывания белка стресса SaHPF (который синтезирует клетка) с рибосомами. В результате связывания белок SaHPF и рибосома образуют димер. В таком состоянии бактериальные клетки способны противостоять внешним стрессовым условиям, что обеспечивает их устойчивость к антибиотику.

«Впервые, с высоким разрешением, были определены структуры полной рибосомы грамположительной бактерии золотистого стафилококка S. Aureus и димера «спящих» рибосом. Полученные результаты на молекулярном уровне с атомарным разрешением объясняют природу механизма устойчивости к антибиотикам золотистого стафилококка и открывают путь к изучению природы стресс-ответа у других патогенных для человека бактерий, что предоставляет возможности для разработки препаратов нового поколения с повышенной селективностью», — рассказал один из авторов статьи Константин Усачев, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Казанского (Приволжского) федерального университета.

Для определения структур рибосом и димеров ученые использовали методы криоэлектронной микроскопии и спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) высокого разрешения. Ученые уничтожили клеточную стенку и удалили все ее содержимое за исключением интересующих их объектов. Авторы заморозили раствор с рибосомами в жидком этане и сделали несколько десятков тысяч снимков этих объектов в разных ракурсах. С помощью суперкомпьютера эти снимки были преобразованы в трехмерные модели рибосом и димеров. После этого исследователи провели сравнительный анализ полученной структуры 70S рибосомы золотистого стафилококка со структурами 70S рибосом других бактерий. Результаты показали наличие нескольких специфичных для золотистого стафилококка участков, которые могут быть вовлечены в процесс трансляции — синтеза белка из аминокислот на информационной, или матричной, РНК (мРНК).

«В рамках данной работы на молекулярном уровне был показан один из механизмов устойчивости этого патогена к антибиотикам, что открывает путь к разработке препаратов против стафилококка нового поколения. Полученная информация о структуре рибосомы золотистого стафилококка с высоким разрешением позволяет широкому кругу исследователей приступить к поиску новых противомикробных агентов, которые разрабатываются на основе установленных особенностей и различий в структуре аппарата синтеза белка у патогенов», — заключил ученый.