Ученые из Университетского колледжа Лондона (UCL) впервые в реальном времени запечатлели, как антибиотики из группы полимиксинов уничтожают грамотрицательные бактерии. Исследование, опубликованное 29 сентября в журнале Nature Microbiology, демонстрирует механизм атаки на примере бактерии Escherichia coli (E. coli). С помощью атомно-силовой микроскопии исследователи создали детальные изображения, показывающие, как антибиотик заставляет бактерию разрушать собственную защиту.
Для наблюдения за процессом использовалась технология, при которой крошечная игла многократно проходила над поверхностью бактерий, сканируя их форму. Это позволило в динамике увидеть изменения, происходящие с клеткой под воздействием полимиксина. Данный метод обеспечил беспрецедентный уровень детализации атаки на молекулярном уровне.
Целью антибиотика являются грамотрицательные бактерии, к которым, помимо E. coli, относятся возбудители сальмонеллеза (Salmonella) и дизентерии (Shigella). Ключевая особенность этих микроорганизмов — наличие двух клеточных мембран, действующих как прочная броня и защищающих их от антибактериальных препаратов. Полимиксины считаются важным средством защиты от устойчивых к лекарствам инфекций, вызываемых именно этими бактериями.
Механизм действия полимиксина оказался направлен на дестабилизацию внешней мембраны. Антибиотик атакует ее и заставляет бактерию с огромной скоростью производить на своей поверхности крошечные выступы и уплотнения. Этот процесс нарушает целостность защитной оболочки.
Каролина Боррелли, докторант в области биофизики и микробиологии в UCL и соавтор исследования, описывает это так: «Клетка вынуждена производить,,кирпичи" для своей внешней стенки с такой скоростью, что эта стенка разрушается». Форсированный и хаотичный рост приводит к тому, что мембрана буквально разваливается на части.
В результате этого принудительного и аномально быстрого строительства внешняя броня бактерии не выдерживает и сбрасывается. После разрушения и отслоения защитной мембраны в ней появляются бреши. Через эти незащищенные участки полимиксин проникает внутрь бактериальной клетки и уничтожает ее.
Однако у этого метода есть существенное ограничение. Полимиксины эффективны только против тех бактерий, которые находятся в стадии активного роста. Это связано с тем, что механизм атаки основан на нарушении процесса строительства внешней мембраны. Если бактерия не строит свою «броню», антибиотику не на что воздействовать.
Некоторые бактерии способны впадать в состояние покоя или «спячки», чтобы пережить неблагоприятные условия. В таком состоянии они не питаются, не растут и не размножаются, сохраняя жизнеспособность годами. «Спящие» бактерии не занимаются активным строительством клеточной мембраны, что делает их неуязвимыми для атаки полимиксинов.
По словам соавтора исследования, биофизика Барта Хогенбума из UCL, следующей задачей является использование полученных данных для повышения эффективности антибиотиков. Результаты открывают путь к созданию комбинированных терапий.
Будущая стратегия лечения может включать два компонента. Первый вариант — сочетать полимиксины с препаратом, который искусственно стимулирует производство бактериальной брони, делая даже медленно растущие клетки уязвимыми. Второй подход — использовать вещество, которое «пробуждает» спящие бактерии, заставляя их начать активный рост и, как следствие, становиться восприимчивыми к действию антибиотика.
Изображение носит иллюстративный характер
Для наблюдения за процессом использовалась технология, при которой крошечная игла многократно проходила над поверхностью бактерий, сканируя их форму. Это позволило в динамике увидеть изменения, происходящие с клеткой под воздействием полимиксина. Данный метод обеспечил беспрецедентный уровень детализации атаки на молекулярном уровне.
Целью антибиотика являются грамотрицательные бактерии, к которым, помимо E. coli, относятся возбудители сальмонеллеза (Salmonella) и дизентерии (Shigella). Ключевая особенность этих микроорганизмов — наличие двух клеточных мембран, действующих как прочная броня и защищающих их от антибактериальных препаратов. Полимиксины считаются важным средством защиты от устойчивых к лекарствам инфекций, вызываемых именно этими бактериями.
Механизм действия полимиксина оказался направлен на дестабилизацию внешней мембраны. Антибиотик атакует ее и заставляет бактерию с огромной скоростью производить на своей поверхности крошечные выступы и уплотнения. Этот процесс нарушает целостность защитной оболочки.
Каролина Боррелли, докторант в области биофизики и микробиологии в UCL и соавтор исследования, описывает это так: «Клетка вынуждена производить,,кирпичи" для своей внешней стенки с такой скоростью, что эта стенка разрушается». Форсированный и хаотичный рост приводит к тому, что мембрана буквально разваливается на части.
В результате этого принудительного и аномально быстрого строительства внешняя броня бактерии не выдерживает и сбрасывается. После разрушения и отслоения защитной мембраны в ней появляются бреши. Через эти незащищенные участки полимиксин проникает внутрь бактериальной клетки и уничтожает ее.
Однако у этого метода есть существенное ограничение. Полимиксины эффективны только против тех бактерий, которые находятся в стадии активного роста. Это связано с тем, что механизм атаки основан на нарушении процесса строительства внешней мембраны. Если бактерия не строит свою «броню», антибиотику не на что воздействовать.
Некоторые бактерии способны впадать в состояние покоя или «спячки», чтобы пережить неблагоприятные условия. В таком состоянии они не питаются, не растут и не размножаются, сохраняя жизнеспособность годами. «Спящие» бактерии не занимаются активным строительством клеточной мембраны, что делает их неуязвимыми для атаки полимиксинов.
По словам соавтора исследования, биофизика Барта Хогенбума из UCL, следующей задачей является использование полученных данных для повышения эффективности антибиотиков. Результаты открывают путь к созданию комбинированных терапий.
Будущая стратегия лечения может включать два компонента. Первый вариант — сочетать полимиксины с препаратом, который искусственно стимулирует производство бактериальной брони, делая даже медленно растущие клетки уязвимыми. Второй подход — использовать вещество, которое «пробуждает» спящие бактерии, заставляя их начать активный рост и, как следствие, становиться восприимчивыми к действию антибиотика.
