|
Сероводород, который все знают по характерному запаху тухлых яиц, бактерии выделяют не как побочный продукт метаболизма, а как целенаправленный ответ на окислительный стресс, рассказал «Газете.Ru» известный биолог Евгений Нудлер. Этот факт можно использовать для улучшения существующих антибиотиков и эффективной борьбы с устойчивыми к ним бактериями.
Как возникла идея изучить функции сероводорода в бактериальных клетках?
- Работa о функции сероводорода (H2S) продолжает работу о функции другого газа - монооксида азота NO в бактериальных клетках. Хорошо известно, что в животных клетках эти два газа выполняют отчасти схожие функции, поэтому мы целенаправленно решили посмотреть, не сохраняется ли эта аналогия в бактериях: возможно, и в бактериальных клетках сероводород действует схожим образом с NO.
Неожиданно для нас, этa область оказалась весьма новой: очень мало известно о том, как бактерии производят сероводород. Понятно, что сам факт выделения сероводорода бактериями известен уже сотни лет (самый простой пример - запах тухлых яиц), однако никто не изучал, как и зачем они его выделяют.
Исключением являются, так называемые серные бактерии, которые используют H2S для клеточного дыхания. Биохимия этого процесса хорошо изучена. Однако речь едет в данном случае об «обычных» бактериях, которые как и мы используют кислород, а не H2S, для дыхания.
- Как же традиционно объясняли выработку H2S у бактерий?
- Традиционно считалось, что это побочный токсичный продукт метаболизма серы. Все сходились на том, что это просто способность бактерий выводить конечный продукт метаболизма серы. Бактериям необходимо выделять перерабатываемую серу, и они делают это, переводя ее в H2S. Однако это лишь «бытовое» знание, настоящих научных исследований на эту тему, фактически, не проводилось. Когда я писал статью об этой работе, которая недавно вышла в Science, я был поражен тем, что мне попросту не на что было ссылаться. Такое у меня в первый раз. Все, что было известно официальной науке - это пара статей о том, как сероводород влияет на запахи сыров, да и этим работам уже около 20 лет.
- Как проводилось изучение функции сероводорода у бактерий?
- Мы начали с идентификации ферментов бактерий, которые ответственны за его целенаправленное производство. Сейчас это легче сделать, чем десятки лет назад: уже просеквенированы (то есть определены последовательности кодируемых белков) тысячи геномов бактерий и животных клеток, их можно сравнить. Мы оттолкнулись от достаточно хорошо изученной биохимии млекопитающих: доподлинно известно о трех ферментах, которые ответственны за выработку этого газа в наших клетках. Мы сравнили их с бактериальными и поняли, что эти же (или очень похожие на них, высоко гомологичные) присутствуют и в бактериях. Это позволило провести аналогии и с функциями ферментов.
- Зачем все-таки бактерии синтезируют сероводород?
- В нашей работе мы показали, что с помощью H2S бактерии защищаются от окислительного стресса, в первую очередь, и, как следствие, - от огромного количества разных антибиотиков.
Таким образом, этот газ - не побочный продукт, бактерии синтезируют его как целенаправленный ответ на стресс. Таким стрессом является любой окислитель, способный нарушить структуру ДНК клетки.
- Но разные антибиотики действуют на разные мишени?
- И тем не менее, механизм их действия - окислительный стресс. Это довольно новая концепция работы антибиотиков, но появляется все больше и больше свидетельств, что она универсальна, и наша работа - тому подтверждение.
Антибиотики разных классов, действительно, действуют на разные мишени. Однако мишень - это то, что позволяет остановить рост бактериальных клеток, а убивают антибиотики все-таки с помощью окислительного стресса.
Именно этот механизм позволяет достигнуть быстрой смерти бактерии - как это происходит в природе, например, в почве. Мы подтверждаем универсальность этой концепции, так как нашли всего одну маленькую молекулу - сероводород, которая помогает бактериям защититься от всех видов антибиотиков.
- Как сероводород защищает бактерию от окислительного стресса?
- Окислительный стресс, в первую очередь, вызывается гидроксил-радикалами - сверхактивными частичками, которые портят ДНК, вызывая разрывы в ней. Их очень сложно починить, и бактерия погибает, так как испорченная ДНК не позволяет осуществлять нормальный биосинтез белка.
Соответственно, ключевая стадия здесь - образование гидроксил-радикалов. Оно катализируется очень небольшими количествами свободных ионов железа. Сероводород, выделяющийся в ответ на окислительный стресс, связывает свободное железо в нерастворимый сульфид. Он не может участвовать в окислительно-восстановительных реакциях, и реакция образования свободных радикалов останавливается. Так, почти мгновенно бактерия становится устойчивой к окислительному стрессу, если она вырабатывает сероводород или если добавить донор этого газа извне, например, в форме гидросульфида натрия.
Таким образом, нам, во-первых, удалось доказать, что бактерии синтезируют сероводород целенаправленно, этот газ имеет физиологическую роль. Мы нашли три фермента, ответственных за его синтез в ответ на стресс, но их наверняка больше. Во-вторых, мы показали, что нехватка этого газа приводит к тому, что бактерии будут более чувствительны к антибиотикам и окислителям.
Третий итог: подтверждение того, что все антибиотики действуют через один и тот же механизм - окислительный стресс.
- Понимание роли H2S может сделать антибиотики более эффективными?
- Теперь мы знаем, что сероводород нужен бактерии для борьбы с антибиотиками, поэтому можем управлять его синтезом. Если ингибировать ферменты, ответственные за его синтез (или генетически подавить их), это лишит бактерии возможности оперативно защищаться от окислительного стресса. Мы показали это на примере уже существующих ингибиторов, которые, к сожалению, не очень специфичны и эффективны. Если разработать эффективные ингибиторы, то они либо сами будут антибиотиками, либо будут бесценными добавочными компонентами - адъювантами - к ним. Особенно это важно особенно в тех случаях, когда больной страдает инфекцией резистентных бактерий, выработавших устойчивость к антибиотику. Всякая устойчивость условна: она означает лишь то, что бактерию не удается победить количествами антибиотика, которые не слишком вредны для здоровья больного.
Адъювант-ингибитор повысит чувствительность бактерии к нему, скажем, в 10 раз - и допустимых доз антибиотика станет достаточно для лечения.
Соответственно, следующий этап работы - это поиск молекул-ингибиторов - этим мы сейчас и занимаемся.
- Эта работа сделана в сотрудничестве между вашей американской лабораторией и «Геронлабом» в Москве. Как распределилась работа?
- Да, действительно, все больше и больше моих работ делаются в обеих лабораториях - в России и США. В этой работе в российской лаборатории были сделаны многие бактериальные штаммы и материалы, необходимые для исследований.
В Москве, в «Геронлабе» работают исключительно профессиональные бактериальные генетики, которые могут инактивировать гены в разных бактериях очень эффективно, и Александр Миронов, московский соавтор работы, именно этим и занимался. Можно смело назвать эту статью успешным случаем международной российско-американской коллаборации, правда, обеими лабораториями заведую я. Кстати, эта работа имеет прямое отношение к основной тематике «Геронлаба» - изучению старения. Ведь впервые роль сероводорода была показана у млекопитающих, правда, тогда его связывали с физиологическими процессами типа регуляции кровяного давления, модуляции иммунной системы и т.п. А наша работа показывает, что, возможно, H2S играет более универсальную роль в защите от окислительного стресса во всех клетках. Раз он синтезируется и в человеческих клетках, их он тоже защищает от окислительного стресса - прямой причины смерти клеток и старения. Возможно, это один из примеров того, как организм борется со старением.
- "Геронлаб" продолжает работать на средства фонда «Династия». Почему вы, очень известный в России и за рубежом ученый, не стали подавать на крупные гранты в России, в частности, «мегагранты».
- Я слышал об этом проекте. Это довольно большие деньги, но потратить их за два года нереально. Если бы я и получил этот грант, пришлось бы делать еще одну лабораторию: «Геронлаб» находится в институте, а не университете, а на них программа не распространялась. Я не могу себе этого позволить, я и так с трудом успеваю координировать работу двух групп. Кроме того, там было много бумажной работы, которой, конечно, избежали приглашенные нобелевские лауреаты, а мне бы пришлось бы потратить на это массу времени, а у меня его нет.
Я полагаю, что мегагранты - не очень эффективная программа: ее результаты будут непропорционально низкими по сравнению с потраченными суммами.
Это будет легко оценить уже через год по количество статей на каждый вложенный доллар.
«Геронлаб», действительно, продолжает поддерживать «Династия», и меня это полностью устраивает. У некоторых сотрудников «Геронлаба», например, у Александра Миронова, есть гранты РФФИ, но это очень небольшие деньги, особенно по меркам биологии и генетики. Фондов «Династии» достаточно, чтобы поддерживать тех людей, которые сейчас работают в «Геронлабе». Сильно pасширять штат мне не нужно, так как это будет неэффективно: я не смогу полноценно ими руководить. А эффективная работа - самое главное.
Автор: Александра Борисова
| |