Физики точно определили механизм, который делает бактерии устойчивыми к антибиотикам

Физики из Университета Макмастера впервые определили простой механизм, используемый потенциально смертельными бактериями для защиты от антибиотиков, открытие, которое дает новое понимание того, как микробы адаптируются и ведут себя на невиданном ранее уровне детализации.

Результаты, опубликованные сегодня в журнале Nature Communications Biology, могут иметь значение в глобальной борьбе с устойчивостью к антибиотикам, что позволит разработать более эффективные лекарства для борьбы с инфекцией.

Исследователи изучили, как мембраны бактерий взаимодействуют с антибиотиком полимиксином В (PmB), который обычно используется для лечения инфекций мочевыводящих путей, менингита, инфекций крови и глаз.

Они сосредоточились на PmB, потому что когда-то он считался самым сильным лекарством в своем роде, последней линией обороны для врачей, когда больше ничего не помогало. Этот отказоустойчивый статус был поставлен под сомнение в 2016 году, когда китайские ученые обнаружили ген, который позволил бактериям стать устойчивыми даже к полимиксинам.

"Мы хотели выяснить, как именно эта бактерия останавливала действие этого препарата в данном конкретном случае", - говорит Адрие Хондкер, студентка бакалавриата медицинских наук и первый автор исследования. "Если мы сможем понять это, мы сможем разработать лучшие антибиотики".

Используя методы, обычно используемые физиками для исследования материалов, команда использовала высокоспециализированное оборудование, чтобы заглянуть глубоко в бактериальную мембрану, получая изображения с таким разрешением, что они могли видеть отдельные молекулы на расстоянии примерно 1/1 000 000 ширины пряди человеческого волоса.

"Если вы возьмете бактериальную клетку и добавите это лекарство, в стенке образуются отверстия, действующие как дырокол, и убивающие клетку. Но было много споров о том, как эти дыры образовались в первую очередь ". объясняет Хондкер.

Когда эти антибиотики работают должным образом, исследователи знают, что применяются основные законы физики: поскольку препарат заряжен положительно, он притягивается к отрицательно заряженным бактериям. В то же время бактериальная мембрана использует отталкивающую силу, пытаясь отразить лекарство.

С помощью визуализации и моделирования исследователи точно определили, какая часть антибиотика попадает в мембрану, куда она попадает и как глубоко проникает. Они смоделировали эти процессы в микросекундном масштабе времени с помощью высокопроизводительных игровых компьютеров в своей лаборатории.

Они определили, что, когда бактерия становится устойчивой, ее мембрана становится более жесткой, а заряд слабее, что делает ее гораздо менее привлекательной для лекарства и труднее проникает. "Для препарата это все равно, что перейти от резки желе к разрезанию камня". Говорит Хондкер.

"Было много предположений об этом механизме", - говорит Райнштедтер. "Но впервые мы можем доказать, что мембрана более жесткая, и процесс замедляется".

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) считает проблему устойчивости к антибактериальным препаратам главной глобальной угрозой общественному здравоохранению, угрожающей нашей способности лечить распространенные инфекционные заболевания, приводящие к длительным заболеваниям, инвалидности и смерти. По оценкам, 70 000 человек во всем мире ежегодно умирают от устойчивых к лекарствам штаммов бактериальных инфекций, ВИЧ / СПИДа, туберкулеза и малярии.

Эксперты предупредили, что к 2050 году ежегодное число смертей во всем мире возрастет до 10 миллионов.