Лассо для упрямых бактерий – станет ли новый антибиотик из группы лассо-пептидов панацеей?

Весной медицинский мир всколыхнуло сенсационное сообщение – впервые за 25 лет препарат из совершенно нового класса антибиотиков доказал свою эффективность и безопасность. Статья, сначала вышедшая препринтом, а потом, после рецензирования, занявшая свое заслуженное место в журнале «Nature», окончательно подтвердила: да, ученые открыли совершенно новый класс антибиотиков, и да, его представители могут и будут присутствовать на современном фармацевтическом рынке.

Итак, наш сегодняшний разговор о лариоцидине – веществе из группы лассо-пептидов, на которые сейчас обращены взгляды буквально всех врачей мира.

Сенсационный антибиотик

Лариоцидин (lariocidin) – это лассо-пептид, принадлежащий к классу рибосомально синтезируемых и посттрансляционно модифицированных пептидов (так называемых RiPPs), который был обнаружен в 2025 году в ходе исследования, проведенного группой ученых под руководством Герри Райта из Университета МакМастера (Канада). Пептид был выделен из бактерии Paenibacillus sp. M2, которую исследователи выделили... из земли из сада одного из своих коллег.

Упомянутое выше исследование было частью усилий по поиску новых антибиотиков – работы, которая происходит сейчас во всем мире, поскольку проблема растущей устойчивости бактерий к средствам, предназначенным для борьбы с ними, уже сейчас существенно ограничивает усилия хирургов, терапевтов и врачей других специальностей, ухудшая прогнозы пациентов, заразившихся той или иной внутрибольничной инфекцией. В данном случае с целью поиска нового антибиотика объединили усилия две крупные научные организации: уже упомянутый выше Университет МакМастера из Канады и Университет Иллинойса в Чикаго из США, что подчеркивает важность трансграничных научных усилий. Основными исследователями, внесшими вклад в открытие и изучение лариоцидина, стали:

Герри Райт (Gerry Wright) – руководитель проекта, биохимик из Университета МакМастера, специализирующийся на антибиотикорезистентности и разработке новых антибиотиков.
Маниш Джангра (Manish Jangra), Дмитрий Травин, Екатерина Александрова – исследователи, участвовавшие в выделении, биохимическом анализе и структурных исследованиях.
Надежда Васкез-Ласлоп (Nora Vázquez-Laslop), Юрий Поликанов, Александер Манкин (Alexander Mankin) – специалисты из Университета Иллинойса в Чикаго, проводившие структурные и функциональные анализы взаимодействия лариоцидина с рибосомой.

В своих изысканиях группа обратила внимание на редкие и медленно растущие бактерии, к которым принадлежит и Paenibacillus, уже известная в качестве «родителя» такого антибиотика, как колистин – средства против большинства грамотрицательных микроорганизмов. После года культивирования и фракционирования экстрактов, помимо ожидаемого в этих случаях колистина, учеными был выделен лариоцидин с молекулярной массой 1870,06 Да.

Ключевым моментом разработки нового лекарства стало обнаружение биосинтетического генного кластера (BGC) лариоцидина, названного lrc, в геноме Paenibacillus sp. M2. Гетерологичная экспрессия этого кластера в актинобактерию Streptomyces lividans (которая широко используется в медицине для производства многих антибиотиков) подтвердила, что он содержит все необходимые гены для синтеза и секреции лариоцидина, а также для саморезистентности продуцента. Помимо основного пептида, лариоцидина (кодируемого как LAR или LAR-A), были идентифицированы его производные, включая внутренне циклизованный вариант лариоцидин B (LAR-B)1.

Механизм действия

Лариоцидин обладает уникальным механизмом действия, отличающим его от других известных лассо-пептидов. Он ингибирует синтез белка в бактериях, взаимодействуя с малой субъединицей рибосомы (30S). Собственно реализация антибактериального действия происходит благодаря двум процессам1:

Связывание с рибосомой. Лариоцидин и его производная лариоцидин B связываются с уникальным сайтом в малой рибосомальной субъединице, взаимодействуя с 16S рРНК и аминоацил-тРНК в аминоацильном сайте (A-сайте). Структурные исследования с использованием криоэлектронной микроскопии и рентгеновской кристаллографии подтвердили, что лариоцидин связывается в A-сайте рибосомы Thermus thermophilus 70S (Thermus thermophilus – это грамотрицательная бактерия, которая широко используются в биотехнологии как модельный организм для генной инженерии, структурной геномики и системной биологии, а также в молекулярной биологии для определения структуры многих важных биомолекул), нарушая нормальное функционирование рибосомы.
Ингибирование трансляции. Лариоцидин нарушает трансляцию, препятствуя транслокации (перемещению тРНК и мРНК через рибосому) и вызывая ошибки декодирования (мискодинг), что приводит к синтезу дефектных белков.

Новый антибиотик имеет широкий спектр действия. Пептид активен против грамположительных (Staphylococcus aureus, Enterococcus faecium) и грамотрицательных (Escherichia coli, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa) бактерий, включая штаммы с множественной лекарственной устойчивостью.

Лариоцидин B, содержащий дополнительную изопептидную связь, обладает схожей активностью, но его циклизованная структура может обеспечивать большую стабильность.

Проведенные исследования

Исследования лариоцидина прошли в несколько этапов1.

1. Идентификация и выделение.

Лариоцидин был выделен из метанольного экстракта Paenibacillus sp. M2 после биологически направленной очистки. Его молекулярная масса была определена с помощью масс-спектрометрии, а отсутствие совпадений с известными антибиотиками подтверждено по базам данных. Гетерологичная экспрессия генного кластера lrc в Streptomyces lividans позволила подтвердить, что кластер полностью отвечает за синтез лариоцидина.

2. Структурный анализ.

Использование криоэлектронной микроскопии и рентгеновской кристаллографии показало, что лариоцидин имеет характерную лассо-топологию: N-концевой макроциклический кольцевой участок (аминокислоты 1–7), точка ветвления (аминокислота 8) и C-концевой хвост (аминокислоты 9–18). Лариоцидин B содержит дополнительную изопептидную связь, сформированную лизином в позиции 2. Электронные плотностные карты (2Fo-Fc) подтвердили взаимодействие лариоцидина с рибосомой.

3. Биохимические исследования.

Лариоцидин показал минимальную ингибирующую концентрацию (МИК) в диапазоне 0,5–8 мкг/мл против различных патогенов, включая устойчивые штаммы. Пептид не подвержен распространенным механизмам резистентности (например, он устойчив к действию бета-лактамазаз и не выталкивается из клетки т.н. «эффлюксными насосами» – трансмембранными белками, при помощи которых бактерия избавляется от токсических соединений) и демонстрирует низкую частоту спонтанного возникновения резистентности.

4. Исследования на животных моделях.

В модели инфекции Acinetobacter baumannii у мышей лариоцидин продемонстрировал высокую эффективность, снижая бактериальную нагрузку без признаков токсичности для клеток человека.

5. Сравнительный анализ2.

Лариоцидин сравнивался с другими лассо-пептидами, такими как микrocин J25 (ингибирует РНК-полимеразу) и лассомицин (нацелен на ClpC1), подчеркивая его уникальность как первого лассо-пептида, ингибирующего рибосому.

Перспективы

Лариоцидин представляет значительный интерес для разработки новых антибиотиков по целому ряду причин3.

Во-первых, он обладает новым механизмом действия. Ингибирование рибосомы через уникальный сайт связывания открывает путь к созданию антибиотиков, не подверженных существующим механизмам резистентности.

Во-вторых, у него обнаружен широкий спектр активности. Эффективность против грамположительных и грамотрицательных бактерий, включая метициллинрезистентный золотистый стафилококк и мультирезистентные штаммы Acinetobacter baumannii, делает его перспективным для лечения микст-инфекций и других проблемных заболеваний.

Также новый антибиотик отличается низкой токсичностью (по крайней мере, в мышиной модели), а также крайне удобен в производстве, благодаря гетерологичной экспрессии в Streptomyces, что делает его одним из перспективейших лекарств антибактериального ряда.

Помимо этого, скорее всего, это соединение можно модифицировать для улучшения его фармакокинетических свойств и спектра действия, что может привести к созданию новых производных.

Ограничения

Несмотря на перспективы, ученые, разработавшие лариоцидин, столкнулись и с рядом ограничений.

В первую очередь, для выведения антибиотика на рынок, необходимы дополнительные исследования для оценки распределения, метаболизма и выведения лариоцидина в организме, чтобы подтвердить его пригодность для клинического применения.

Дальнейшие исследования нужны и для оценки частоты спонтанной резистентности. Кроме того, испытания на животных на данный момент ограничиваются всего одной мышиной моделью, что совершенно недостаточно.

Еще одним фактором является и межвидовая конкуренция. На рынке уже существуют ингибиторы рибосом (например, макролиды, считающиеся одними из самых безопасных антибиотиков), которые активно используются в медицинской практике. Лариоцидин должен доказать свою эффективность по сравнению с существующими препаратами, чтобы его производство оправдало вложенные в его разработку деньги. Также, что касается производства, то, несмотря на то, что гетерологичная экспрессия упрощает производство, масштабирование до промышленных объемов может быть дорогостоящим и технически сложным4.