У пошуках альтернативи антибіотикам
Вивчення міжклітинної комунікації мікроорганізмів є багатоплановою міждисциплінарною галуззю, що швидко розвивається. Одним з напрямків є пошук можливостей створення перешкод такій комунікації з метою попередження розвитку інфекцій, що можна розглядати як альтернативу традиційним антибіотикам
«Відчуття кворуму»
Як це не дивно, але у багатьох мікроорганізмів існує кооперативна, «соціальна» поведінка. Вперше цей феномен було виявлено 1970 р. у морської бактерії Vibrio fisheri як систему регуляції біолюмінесценції. Спочатку вчені припустили, що даний механізм регуляції притаманний лише невеликій кількості близькородинних видів роду Vibrio, однак результати подальших досліджень довели значну поширеність цього механізму регуляції у світі мікроорганізмів.
Нині система міжклітинної комунікації у мікроорганізмів є загальновизнаною, носить назву системи «quorum sensing» (QS), тобто «відчуття кворуму», й означає здатність деяких мікроорганізмів до спілкування за допомогою специфічних сигнальних молекул, яке є необхідним для координації дій членів співтовариства. До складу будь-якої з таких систем мають входити: сигнальна молекула (індуктор), рецептор, фактор транскрипції, а також фермент, що здійснює каталіз синтезу нових молекул індуктора.
Було виявлено, що за допомогою системи QS мікроорганізми здатні регулювати багато процесів життєдіяльності, зокрема патогенність, вторинний метаболізм, формування біоплівок та ін. Доведено, що система QS існує не лише у бактерій, але й у деяких нижчих еукаріот, таких як дріжджеподібні гриби роду Candida та Cryptococcus. Більш того, встановлено, що за допомогою цієї системи мікроорганізми здатні взаємодіяти не лише із собі подібними, але й здійснювати комунікацію між різними царствами, у тому числі з вищими еукаріотами. Як з’ясували вчені, «колективізм» є необхідним для певного виду руху мікробних клітин, але найголовніше, що під контролем «відчуття кворуму» хвороботворні бактерії утворюють плівки, важкодоступні для антибіотиків, й синтезують фактори вірулентності.
Виникають цілком логічні питання: а чи існує можливість попереджувати розвиток інфекцій за допомогою перешкоджання роботі системи «спілкування» бактерій, чи можна знайти такі хімічні речовини, які б слугували «інгібіторами» цих процесів, й по суті стали б антимікробними препаратами нового покоління?
«Премудрості» сигнальних шляхів
Для того щоб відповісти на всі ці питання, розглянемо більш детально деякі особливості QS.
Існує кілька типів системи QS, призначених для вирішення різних задач. Так, система першого типу призначена перш за все для внутрішньовидового спілкування, другого типу — для міжвидового, а третього — для взаємодії з еукаріотами. Але в бактеріальній клітині може існувати й кілька подібних сигнальних шляхів. Одна й та сама бактерія може мати системи QS для вирішення як «загальних» питань, так і «спеціальних». Іноді залишається лише одна, «спеціальна» система. Крім того, вчені відкривають все нові й нові регуляторні шляхи. Так, наприклад, встановлено [1], що у Photorhabdusa symbiotica (патоген комах і людини) існує альтернативна система QS, роль сигнальних молекул в якій виконують діалкілрезорциноли та циклогександіони. При цьому рецепторний білок PauR належить до сімейства LuxR-подібних білків, однак не має спорідненості до ацильованих гомосеринлактонів (AHL). Певно, «перебудова» рецептора є результатом коеволюції бактерії та хазяїна.
Сигнальні молекули в системах QS належать до таких груп: амінокислоти — ацетильовані гомосерин лактони грамнегативних бактерій; пептиди — лінійні та циклічні сигнальні пептиди грампозитивних бактерій; гетероциклічні сполучення — 2-гептил-3-гідрокси-4-хінолон P. аeruginosa, сигнальні фуранони, γ-бутиролактон бактерій роду Streptomyces; аліфатичні сполучення — фарнезол Candida albicans.
Незвичайні інгібітори
Для того щоб спілкуватися із сусідами, бактерія має подавати сигнал, уловлювати його за допомогою особливих рецепторів й відповідати на нього — здійснювати транскрипцію певних генів. Й кожну з цих трьох стадій можна перервати, підібравши відповідні інгібітори. Якщо задача полягає в застосовуванні такого інгібітора в майбутньому для лікування мікробних інфекцій, вкрай важливо, щоб ця речовина не була токсичною для еукаріотичних клітин. Вона має бути достатньо стабільною й специфічною саме проти системи QS й не повинна впливати на основні метаболічні процеси в клітині. В іншому разі бактерії зможуть швидко «відшукати» захисні механізми, як це відбулося у випадку з антибіотиками. Роз’єднані бактерії значно гірше утворюють біоплівки, що робить їх більш вразливими як для імунної системи, так і для антимікробних препаратів.
Такі речовини змусять бактерію просто «замовкнути», адже клітина перестане виробляти сигнальні молекули. Якщо шлях біосинтезу індуктора є відомим, можна підібрати аналоги попередників, які будуть порушувати роботу ферментів — синтаз. Так, AHL синтезуються за участі LuxI-подібних та AinS-подібних синтаз з S-аденозилметіоніну (SAM) та ацильного залишку, зв’язаного з білком — переносником АСР. Продемонстровано ефективність таких аналогів SAM, як S-аденозилгомоцистеїн, S-аденозилцистеїн та синефунгін, в системах in vitro [2]. За кінцевий етап біосинтезу АСР відповідає бактеріальна редуктаза FabI, яку інгібує триклозан.
За результатами досліджень встановлено, що модифіковані пептиди-попередники можуть слугувати, наприклад, інгібіторами пептитази золотистого стафілокока [3]. Незважаючи на різноманітність інгібіторів, такий підхід, певно, слід вважати малоперспективним, оскільки бактерії зможуть набувати до них стійкості.
Ще одним з підходів створення перешкод для системи QS є зниження якості міжклітинного зв’язку за допомогою хімічних агентів. Як перспективні інструменти можна розглядати ферменти, що розкладають сигнальні молекули. Зокрема, AHL можуть розкладатися лактоназами, ацилазами та оксидоредуктазами. Ці ферменти необхідні бактеріям для здійснення успішної колонізації ризосфери, де мешкає багато конкурентів. Існує ще більш дивна обставина: деякі бактерії здатні використовувати AHL як єдине джерело вуглецю та енергії, тобто просто «харчуються» ними. Отже, за допомогою лактоназ бактерії «перехоплюють» сигнали, котрі використовують конкурентні види.
Окрім вищезазначених підходів до перешкоджання системі QS, можна примусити бактерію не сприймати сигнали, які надсилають їй сусіди. Для цього необхідно інгібувати рецепцію за рахунок конкурентного зв’язування зі специфічним сайтом рецептора. У випадку AHL іноді буває достатнім збільшити довжину ацильного «хвоста» сигнальної молекули, збагативши його ненасиченими зв’язками. Також можна модифікувати й лактонні кільця молекул AHL [4].
Рослини як джерело «антикворумних» препаратів
Не слід вважати, що можливість впливати на системи бактеріального спілкування придумала людина: вони вже давно слугують мішенями для численних природних речовин. Так само, як і у випадку природних антибіотиків, кількість таких речовин є досить значною. Хоча ферменти тварин (параоксантази) також здатні руйнувати сигнальні молекули, однак нині найбільшу кількість «антикворумних» препаратів одержано саме з рослин.
Протягом останнього десятиліття було опубліковано велику кількість результатів досліджень щодо виявлення у екстрактів різних рослин здатності зумовлювати шляхом виборчого ефекту негативного впливу на системи QS
Для того щоб перевірити наявність негативного впливу рослин на системи QS, використовують біосенсори, серед яких особливої популярності набув штам Chromobacterium violaceum CV026. За його допомогою було продемонстровано «антикворумну» активність у цілої низки рослинних екстрактів [5], у тому числі цитрусових, чорниць, журавлини, ванілі, а також деяких лікарських рослин, таких як розмарин та куркума.
Часто-густо подібні дослідження закінчуються на стадії скринінгу, однак у деяких з них зроблено спроби виділити необхідний компонент з неочищеного рослинного екстракту. Так, наприклад, з екстракту часнику було виділено аджоєн (4,5,9-тритіододека-1,6,11-трієн 9-оксид), а з екстракту хріну — іберин [5]. Обидві ці речовини здатні блокувати роботу AHL-залежних систем синьогнійної палички.
На думку спеціалістів
Слід зазначити, що в біотехнології вже застосовують системи, які ґрунтуються на компонентах QS, для виробництва біохімічних препаратів, створення штучних тканин та біосенсорів, ферментації із використанням змішаних мікробних культур. Спеціалісти ж, які працюють у цій сфері, одностайно визнають, що головні практичні результати вивчення міжклітинного спілкування мікробів ще попереду. Цілком можливо, що буде створено такі «антикворумні» препарати, які зможуть замінити сучасні антибіотики й стати новим поколінням ліків майбутнього.
Підготував Руслан Примак, канд. хім. наук
Література
- Brameyer S., Kresovic D., Bode H.B., Нeermann R. Dialkylresorcinols as bacterial signaling molecules // PNAS. – 2015. – Vol. 112. – P. 572-577.
- Rasmussen T.B., Givskov M. Quorum sensing inhibitors: a bargain of effects // Microbiology. – 2006. – Vol. 152. – P. 895-904.
- Kavanaugh J.S., Thoendel M., Horswill A.R. A role for type I signal peptidase in Staphylococcus aureusquorum sensing// Mol. Microbiol. – 2007. – Vol. 65. – P. 780-798.
- Hentzer M.,Givskov M. Pharmacological inhibition of quorum sensing for the treatment –of chronic bacterial infections // J. Clin. Invest. – 2003. – Vol. 112. – P. 1300-1307.
- Jakobsen T.H., Bragason S.K., Phipps R.K. et al. Food as a source for quorum sensing inhibitors: iberin from horseradish revealed as a quorum sensing inhibitor of Pseudomonas aeruginosa// Appl. Environ. Microbiol. – 2012. – Vol. 78. – P. 2410-2421.
