По статистике ВОЗ, в 2024 году 10,7 миллионов человек во всем мире были больны туберкулезом. Это заболевание вызывают микобактерии (Mycobacterium tuberculosis), которые способны после попадания в организм человека переходить в долгую «спячку». В этом состоянии клетки не размножаются, но становятся крайне устойчивыми к неблагоприятным условиям, например, действию антибиотиков и атакам иммунной системы. В результате спустя годы после на первый взгляд успешного лечения туберкулез может возвращаться из-за того, что спящие микобактерии вновь становятся активны.
Исследования показали, что в состоянии покоя в клетках бактерий накапливается особое вещество — тетраметиловый эфир копропорфирина. Копропорфирин — это молекула в виде сложного кольца. Когда на нее «навешивается» четыре дополнительные (метильные) группы, это вещество становится эфиром и накапливается в клеточной стенке бактерий. Благодаря ему бактерии становятся более устойчивы к действию неблагоприятных факторов: иммунной системы, окислительного стресса. При высоких концентрациях этого соединения в мембране микобактерий снижается активность дыхания бактерий, что в совокупности с другими изменениями обмена веществ способствует их переходу в «спячку». Однако до сих пор не было понятно, как именно происходит это превращение.
Ученые из Федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН (Москва) и Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН (Москва) открыли фермент, который отвечает за превращение копропорфирина в его эфир.
Авторы «расчетной» части: Роман Ефремов, Ирина Панина. Источник: Маргарита Шлеева / ФИЦ Биотехнологии РАН
Исследователи с помощью белковых баз данных проанализировали возможные ферменты-кандидаты, которые есть у микобактерий, и по ряду молекулярных признаков выбрали среди них наиболее вероятный. Затем ученые искусственно получили клетки микобактерий, производящие этот фермент в избытке, или же наоборот, неспособные его синтезировать.
Бактерии с избытком фермента накапливали тетраметилового эфира в девять раз больше нормы и значительно лучше переживали условия, имитирующие атаку иммунной системы в организме человека и действие антибиотиков. Микобактерии без этого фермента хуже синтезировали защитные молекулы, что снизило их выживаемость. Однако авторы сделали вывод, что этот важный процесс продублирован дополнительными ферментами со схожей функцией.
С помощью компьютерного моделирования авторы выяснили, что открытый фермент работает по необычному механизму, похожему на карусель. Копропорфирин попадает в активный центр фермента и, находясь в нем, меняет свою ориентацию (поворачивается), в результате чего на него «навешивается» четыре метильные группы. Это позволяет синтезировать тетраметиловый эфир напрямую без промежуточных продуктов и тем самым повысить эффективность превращения.
Определение метилированного копропорфирина в экстрактах микобактерий хроматографическим методом. Дарья Багаева. Источник: Маргарита Шлеева / ФИЦ Биотехнологии РАН
Образующийся эфир встраивается в мембрану бактерии, увеличивает ее жесткость и замедляет процессы обмена веществ. Все это служит сигналом для перевода клетки в энергосберегающий режим, способствующий длительному выживанию в неблагоприятных условиях. Именно в таком состоянии микобактерии «прячутся» от иммунной системы и лекарств в организме человека.
«Поскольку описанный фермент активен именно при переходе микобактерий в состояние покоя, он может служить мишенью для разработки препаратов от туберкулеза. Так, если заблокировать его, бактерия не сможет перейти в покоящееся состояние и станет чувствительной к действию иммунной системы и антибиотиков. В дальнейшем мы планируем выявить все ферменты-участники этого нового биохимического пути в микобактериях, а также в экспериментах на патогенных штаммах туберкулезных и нетуберкулезных микобактерий выяснить роль тетраметилового эфира копропорфирина в вирулентности и патогенезе с использованием моделей туберкулеза и микобактериозов у мышей», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Маргарита Шлеева, доктор биологических наук, заведующая лабораторией биохимии стрессов микроорганизмов ФИЦ Биотехнологии РАН.
