Как стресс "закаляет" бактерию
|
Почему до сих пор ученые не смогли создать эффективных препаратов против таких страшных инфекционных болезней, как малярия, проказа, туберкулез? Недавняя эйфория, что тот же туберкулез вот-вот будет побежден, сменилась скрупулезным изучением "противника". А возбудитель действует поистине изощренно, приспосабливаясь даже к окислительной блокаде макрофагов. Именно в этой приспособительной точке соприкосновения и стоит искать пути противодействия микроорганизмам. О том, как бактерии "закаляются" в стрессе и какая существует неуловимая связь между ними и организмом человека, рассказывает главный научный сотрудник Института биохимии им. А.Н.Баха РАН профессор Дмитрий ОСТРОВСКИЙ.
Понятие стресса, возникшее в медицине, физиологии, стало нынче модным, популярным - его широко применяют многие биологи и химики, подразумевая под стрессом, в том числе окислительным, как само воздействие экстремальных факторов на любой организм, включая бактерии, так и реакцию на "удар". Для медицины это представляет особый интерес, ведь главным орудием человеческого организма против бактерий является окислительный стресс, который создается клетками-макрофагами, "захватившими" возбудителя. Макрофаги выделяют окислитель в ту вакуоль, где находятся бактерии, пытаясь их убить. Кроме того, во внешней среде окислительный стресс также является самым распространенным и важным фактором воздействия на микробы. Тяжелые металлы, продукты выброса промышленных предприятий действуют на бактерии по аналогичному сценарию, провоцируя развитие окислительных реакций. Так что, с одной стороны, окислительный стресс - механизм уничтожения бактерий внутри человека, а с другой - важнейший фактор воздействия на микробы во внешней среде. Понятно, что реакция патогенных бактерий на окислительный стресс может рассматриваться как вопрос их жизни или смерти, а для человека, соответственно, как тяжесть развития болезни. В 1990 году мы обнаружили в бактериях доселе неизвестное соединение, которое накапливалось в больших количествах именно при воздействии окислительного стресса. Его полное название - метилэритрита циклопирофосфат (МЭЦ). Сразу стало понятным, что это соединение является индикатором какого-то нового пути превращения веществ... Увы, не нам было суждено выявить его место в функционировании бактерий. Немецкие и японские исследователи, оснащенные много лучше нас, доказали, что МЭЦ является промежуточным соединением в синтезе изопреноидов, стероидов, каротиноидов, других веществ, очень важных для работы любой живой клетки. Тем не менее описав это вещество, определив формулу и показав, что оно возникает как реакция на повышение концентрации активных форм кислорода, мы первоначально предположили, что МЭЦ является как бы универсальным защитником от окислительного стресса, раз бактерия зачем-то накапливает это органическое соединение фосфора в ответ на стресс. Но идея не подтвердилась - вещество приносило какую-то пользу бактерии, но отнюдь не организму хозяина. Конечно, было бы очень заманчиво, если бы МЭЦ оказался лекарством и универсальным защитником от стресса, и поначалу наши коллеги из Германии, США за него просто ухватились. Но нет, напротив, с его помощью усиливается токсичность воздействия бактерий на клетки хозяина: совместно с коллегами, изучающими патогенные бактерии и инфекционные модели, выяснили, что добавка МЭЦ в микродозах в организм мыши ухудшает клиническое течение, скажем, туляремии, тифа. Вероятно, это вещество является фактором вирулентности, помогая бактерии выжить в условиях, когда организм с ней борется, пытаясь убить с помощью окислительного стресса. Образно говоря, это третья линия обороны паразита. Если первая линия - толстая оболочка бактерий с высокой концентрацией содержащихся там антиоксидантов, не смогла задержать и нейтрализовать значительную часть активных форм кислорода, генерируемых фагоцитами, по сигналу тревоги в работу включаются особые участки генетического аппарата бактерии, которые начинают вырабатывать в больших количествах каталазу, супероксиддисмутазу и другие ферменты, разрушающие пероксиды. Это - вторая линия обороны. Однако она может вступить в дело лишь при надежной работе всех систем. А если удар по бактерии очень силен и ее внутриклеточные механизмы пришли в расстройство? Тогда-то и включаются силы быстрого реагирования, как бы третья линия обороны - накопление в клетке МЭЦ. Благодаря ему бактерии лучше выживают, и для человека, как показал эксперимент, это чревато отрицательными последствиями. И МЭЦ - один из факторов вирулентности и выживаемости, которых у бактерии целый букет. Если удастся понять, на какие функции, структуры, реакции в организме человека эти вещества действуют, можно будет создать, выработать и противодействие - антидот, защищающий от поражения конкретный орган, что, безусловно, очень важно для медицины. Главное, что мы теперь знаем: есть такое вещество, а точнее даже группа веществ (ведь МЭЦ возникает из некоего предшественника и превращается в целый ряд соединений, близких по структуре), и какое-то из них, очевидно, очень сильно влияет на иммунный статус человека. Это вещество можно отнести к разряду иммуномодуляторов, определяющих устойчивость организма к инфекционным болезням. Теперь перед нами стоит задача нахождения того участка в организме человека, на который это химическое соединение влияет. Конечно, мы надеялись, что МЭЦ станет лекарственным средством в борьбе с туберкулезом, дифтерией, поскольку его накопление было обнаружено в их возбудителях, с непатогенными штаммами которых мы работаем. Но скорее всего, эту роль выполняет другое низкомолекулярное соединение, которое пока не обнаружено. По одной из наших рабочих гипотез, когда микобактерия туберкулеза попадает внутрь человека и поглощается макрофагами, она, будучи окруженной специальной оболочкой - фагосомой, там не погибает, а остается жить благодаря секреции, либо выделению неких соединений, появляющихся в результате разрушения части бактериальных клеток. Они так влияют на макрофаг, что он не только не может убить бактерию, но даже вынужден питать ее. Суть туберкулеза в том, что хотя бактерия и поглощена макрофагом, но остается "недобитой" и выделяет из себя нечто, заставляющее организм ее подкармливать, а не уничтожать. Что это за соединение, пока никто не знает, в этом и секрет болезни. Многократные попытки проводить иммунизацию убитыми клетками микобактерий никакого эффекта не принесли. Это означает, что ни известные белки и полисахариды, имеющиеся на оболочках, ни антитела к ним не дают защиты. И мы предполагаем, что выживанию микобактерий внутри хозяина способствуют некие низкомолекулярные соединения, которые секретирует возбудитель и против которых не вырабатываются антитела, хотя они чужеродны и токсичны для организма человека. Эту идею мы намерены сейчас проверять. И если она подтвердится, то тогда с учетом известного механизма накопления низкомолекулярных веществ можно найти лекарство, которое направленно "ударит" в область синтеза этих соединений у бактерий, что остановит рост микроорганизмов и таким образом пресечет развитие болезни. Есть любопытное исследование наших немецких коллег, ищущих эффективное средство против малярии. Замечу, что возбудители малярии - плазмодии, простейшие микроорганизмы, относящиеся к эокариотам, которые содержат внутри своих клеток небольшие органеллы - митохондрии, осуществляющие трансформацию энергии и апикопласты с неизвестными функциями. Считается, что они произошли из бактерий: когда-то, миллионы лет назад, предки плазмодий проглотили бактерии и те редуцировались до состояния маленьких органелл, превратившись в часть тела (кстати, и каждая наша клетка содержит митохондрии, бывшие когда-то бактериями). Плазмодии и органеллы связывают тысячи нитей. Так, для многих простейших организмов - тлей, примитивных червей - плазмодии с такого рода остатками бактерий, живущими в их телах, являются факторами размножения: если экспериментально органеллу удалить, половое размножение становится невозможным. Немецкие медики воздействовали на плазмодии антибиотиком, который, как недавно выяснилось, поражает одно из звеньев в цепи синтеза фосфатов, что оказалось эффективным средством для поражения возбудителя малярии, одного их самых страшных бичей человечества. Это стало возможным как раз потому, что внутри плазмодия находится органелла, имеющая бактериальное происхождение и тот самый фермент, синтезирующий низкомолекулярное фосфатное соединение. Изучая действие ртути на бактерии, мы используем вещества типа МЭЦ как индикаторы состояния микроорганизма. Выявилась интересная корреляция: у бактерий, резистентных к ртути, точнее, выживающих в среде, в которой остальные "собратья" погибают, накапливается в больших количествах МЭЦ безо всякого окислительного стресса. Значит, есть какая-то связь между развитием устойчивости к ртути и синтезом МЭЦ. Это предмет наших исследований в настоящий момент. В качестве гипотезы можно предположить, что накопление МЭЦ изменяет окислительно-восстановительный статус цитоплазмы клетки и благодаря этому влияет на ее способность сопротивляться действию ртути. Еще раз подчеркну, что у бактерий, растущих в нормальных оптимальных условиях, МЭЦ не обнаруживается. Он содержится в таких микроколичествах, которые современные приборы не фиксируют, и приходится искусственно создавать окислительный стресс, чтобы шло активное накопление этого чрезвычайно интересного для микробиологов вещества. Записал Вячеслав СВАЛЬНОВ, корр. "МГ". |