Чтобы убить устойчивые к лекарствам бактерии, антибиотики «последней надежды» используют тактику из книги Медузы: окаменение.
Новые микроскопические изображения высокого разрешения показывают, что антибиотики класса полимиксинов кристаллизуют клеточные мембраны бактерий. Образующиеся сотовидные кристаллы превращают обычно эластичную оболочку микробов, состоящую из жировых молекул, в тонкие хрупкие листы, сообщают исследователи 21 октября в журнале Nature Communications. Когда окаменевшие мембраны разрушаются, бактерии погибают.
Это открытие стало полной неожиданностью, говорит Себастьян Хиллер, структурный биолог из Базельского университета в Швейцарии.
Хиллер, биофизик Селен Маниоглу и их коллеги использовали антибиотики в качестве контроля для другого эксперимента. Когда исследователи включили свои микроскопы, «мы увидели эти вафли», — говорит Хиллер. «Я сразу понял: «Вау, это должно быть что-то особенное».
Полимиксиновые антибиотики, такие как колистин, были открыты в 1940-х годах и сегодня используются в качестве мощного последнего средства защиты от бактерий, у которых развилась устойчивость к большинству других лекарств. Исследователи уже знали, что полимиксины каким-то образом вмешиваются в клеточные мембраны бактерий. Но никто не представлял себе сценария, подобного «вафлям», которые обнаружила команда.
Микроскопическая фотография мембран бактериальных клеток в шестиугольном «вафельном» узоре
Мембраны бактериальных клеток обычно эластичные и гладкие, но полимиксиновые антибиотики кристаллизуют мембраны в хрупкие листы шестиугольных «вафель», которые можно увидеть на снимке атомно-силовой микроскопии.
В новом исследовании Хиллер и его коллеги подвергли кусочки клеточной мембраны кишечной палочки воздействию различных концентраций колистина. Изображение с помощью атомно-силовой микроскопии показало, что кристаллы образуются при минимальных концентрациях, необходимых для уничтожения бактерий. Устойчивые к колистину штаммы, подвергнутые воздействию препарата, не образовывали кристаллов.
Результаты показывают, что полимиксины действуют путем организации клеточной мембраны в кристаллическую структуру, которая делает ее хрупкой и уязвимой. «Это то, о чем до сих пор не было даже отдаленных гипотез», — говорит Маркус Вайнгарт, биохимик из Утрехтского университета в Нидерландах, который не принимал участия в работе. «Это очень важное исследование. Я бы даже сказал, что это прорыв».
Как именно полимиксины кристаллизуют клеточные мембраны, остается неясным. Это проблема, потому что некоторые бактерии выработали устойчивость к полимиксинам и становятся все более распространенными (SN: 5/27/16; SN: 10/30/90). По словам Вайнгарта, без новых исследований, подобных этому, которые помогут раскрыть принцип действия препаратов, ученые не смогут эффективно модифицировать антибиотики, чтобы сделать их более эффективными.
Хиллер надеется, что этот первый взгляд на чудовищную силу полимиксинов поможет ученым бороться с устойчивостью к антибиотикам.
«Понимание этих концепций, безусловно, принесет много идей — и потенциал для создания новых лекарств», — говорит Хиллер.