Российские химики и биологи научились «ставить ловушку» для внеклеточной ДНК в биопленке, способствующей выживанию патогенных микроорганизмов и усилению их устойчивости к современным антибиотикам. Для этого ученые синтезировали молекулы-«капсулы», обволакивающие внеклеточную ДНК и подавляющие рост бактерий на 15–20%. Разработанный метод безопасен для человека и может усиливать действие антибиотиков при комбинированной терапии. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Pharmaceutics.
Один из механизмов защиты микроорганизмов от неблагоприятного влияния окружающей среды — формирование биопленок. Таким образом они создают комфортное слизистое окружение, которое способствует обмену полезными генами, например, отвечающими за устойчивость к антибиотикам. Чтобы предотвратить это, ученые используют ДНК-связывающие белки, среди которых наиболее распространены дезоксирибонуклеазы (ДНКазы), разрушающие внеклеточную ДНК. У этого метода есть большой недостаток: бактерии быстро вырабатывают механизмы борьбы с такими белками. Например, в составе биопленок становится больше ферментов, способных разрушить другие белковые молекулы. Кроме того, ДНКазам сложно проникнуть к своим «мишеням», расположенным в глубине структуры биопленки, так как они слишком крупные для этого. Как следствие, препарат на основе ДНКаз становится неэффективным, а лекарства получаются дорогостоящими.
Химики и биологи из Казанского (Приволжского) федерального университета (Казань) предложили новый способ борьбы с патогенными биопленками. Для этого они использовали синтетические аналоги природных ДНК-связывающих белков — нетоксичные, водорастворимые, макроциклические производные пиллар[5]арена. На их основе ученые получили молекулы-контейнеры, по форме и свойствам напоминающие китайскую ловушку для пальцев — головоломку, представляющую собой плетеную трубочку, в которую нужно поместить указательные пальцы с двух сторон и попытаться вытащить. Чем сильнее дергать пальцы в разные стороны, тем крепче будет держать трубочка, так как в диаметре она станет уже. Чтобы решить эту головоломку, следует соединить пальцы, а не увеличивать расстояние между ними. Исследователи выяснили, что синтезированные соединения являются подобной «ловушкой» для внеклеточных бактериальных ДНК: они ее «облепляют», при этом нарушается корректное функционирование биопленки как целостной системы, облегчается действие антимикробных препаратов и, как следствие, биопленка начинает разрушаться.
Ученые проверили систему на биопленках бактерии Staphylococcus aureus, вызывающей инфекции кожи, пневмонию и целый ряд других заболеваний. Предложенная система затормозила развитие бактериальной биопленки на 15–20% и при этом оказалась абсолютно нетоксична для клеток человека. Полученные соединения можно также улучшить, добавив к ним известные антимикробные агенты. Последние будут действовать как «молекулярный десант» — после отключения управления функциями биопленки они уничтожат колонии микроорганизмов. Поэтому разработанная учеными нетоксичная система может применяться в комбинированной терапии совместно с антибиотиком, усиливая его действие и сокращая время лечения.
«Наше исследование, насколько нам известно, является одним из первых подобных в мире. Мы смогли создать полностью искусственную систему, имитирующую процессы в живых системах, и при этом убрали недостатки природных молекул, такие как быстрое разложение под действием ферментов. Стоит отметить, что это только первые шаги в данном направлении и предстоит еще много работы», — подводит итог руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Шурпик, кандидат химических наук, доцент ФГАОУ ВО Казанского (Приволжского) федерального университета.