Охотники за микробами: что такое антибиотики и как они выбирают свои мишени
Как работают антибиотические препараты, и почему у опасных для жизни бактерий со временем развивается устойчивость к ним?
В прошлых материалах кандидат биологических наук Екатерина Умнякова поведала читателям 7days.ru о том, как работает наша иммунная система и как наш иммунитет уничтожает опасные инфекции. Сегодня автор новой книги «Как работает иммунитет» («АСТ») расскажет об антибиотиках — вспомогательных веществах для лечения инфекционных заболеваний.
Антибиотики
Антибиотики (от др.-греч. avti — «против»; bioc — «жизнь») — это соединения природного (бактериального, грибкового, растительного, животного) или синтетического происхождения, подавляющие рост живых клеток или вызывающие их гибель. — говорит Екатерина Умнякова, кандидат биологических наук и автор новой книги «Как работает иммунитет» («АСТ»).
Впервые идея о создании «магической пули», которую можно было бы прицельно направлять на бактерии, принадлежит Паулю Эрлиху. В 1909 году Эрлих перебрал более 600 мышьяк содержащих препаратов и нашел сальварсан («препарат 606»), который помогал вылечить больных сифилисом даже в критическом состоянии. Но препарат был токсичным, поэтому Эрлих продолжал экспериментировать и стремился сделать его более эффективным и безопасным.
Спустя 30 лет после работ Пауля Эрлиха, Александр Флеминг открыл первый антибиотик — пенициллин, выделенный из плесневого гриба рода Penicillium. На фотографии ниже — примерно те же образования в чашке Петри, которые наблюдал сам Александр Флеминг. Они и натолкнули великого ученого на мысль об использовании веществ из гриба для борьбы с бактериями.
Александр Флеминг работал с неочищенным фильтратом питательной среды, на которой выращивался гриб и выяснил, что этот препарат даже будучи разведенным в сотни раз задерживает рост бактерий и, что было особенно важно, не был столь ядовит для животных. Но понадобилось еще около 12 лет, чтобы пенициллин выделили в кристаллическом виде и стали вводить больным. Проделали эту трудную и кропотливую работу Эрнест Чейн и Говард Флори.
Миллионы человеческих жизней, обреченных на гибель от воспаления легких, менингита, ангины, сифилиса, гонореи и других опасных заболеваний, вызываемых микробами, были спасены. Авторы открытия А. Флеминг, Г. Флори и Э. Чейн были удостоены Нобелевской премии в 1946 году.
Кстати, советский пенициллин был получен независимо от английских исследователей во время Второй мировой войны. Зинаида Виссарионовна Ермольева обнаружила штамм гриба пенициллиума, который активно производил антибиотик. В самые кратчайшие сроки удалось очистить пенициллин, провести самые простые клинические тесты, а эффективность препарата проверялась уже во время лечения.
Советский пенициллин спас тысячи солдат от заражения крови, газовой гангрены — омертвения тканей, вызванного анаэробной бактерией рода Clostridium, воспаления легких и других поражений микробами в условиях Второй мировой войны.
В медицине принято классифицировать антибиотические препараты в соответствии с их химической структурой. Выделяют около десятка различных групп антибиотиков, у каждой из которых есть своя мишень. В роли такой мишени выступают важные для бактерии процессы — синтез белка или нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), а также образование пептидогликана для построения клеточной стенки.
Некоторые антибиотики вызывают разрушение цитоплазматической мембраны — оболочки клетки бактерий, а также нарушение процессов образования богатых энергией соединений. Действуя на какой-либо из этих процессов, можно вывести бактерию из строя. Почему же при таком количестве опасных для жизни бактерий-мишеней у них со временем развивается устойчивость к различным антибиотикам?
Дело в том, что многие из описанных мишеней для антибиотиков — это ферменты — белковые катализаторы (белки, задающие направление химическим реакциям и ускоряющие их ход). Как и все белки, они кодируются последовательностью ДНК. Мы знаем, что бактерии довольно быстро размножаются в процессе деления.
При этом происходит и удвоение молекулы ДНК, так что каждая дочерняя клетка получает свою копию генетической информации. При копировании молекулы ДНК могут происходить ошибки — мутации, в результате чего в некоторых случаях происходит изменение структуры белковых молекул, в том числе и молекул-мишеней для антибиотиков.
Стоит структуре фермента измениться, и антибиотик перестает действовать на эту мишень. Он больше не способен навредить бактериальной клетке. Существует еще один способ, благодаря которому бактерии могут получить устойчивость к антибиотикам — горизонтальный перенос генов.
Дело в том, что у этих организмов помимо основной ДНК есть еще небольшие кольцевые молекулы ДНК — плазмиды. Они часто несут в себе гены устойчивости к антибиотикам. Передавая друг другу такие плазмиды, бактерии распространяют невосприимчивость в тому или другому типу антибиотических препаратов.
Относительно недавно стало известно, что бактерии могут эти самые плазмиды получать в прямом смысле из воздуха! Кольцевые молекулы ДНК, несущие гены устойчивости к различным группам антибиотиков, в том числе и к антибиотическим препаратам «последнего резерва» могут присоединяться к твердым частицам в воздухе, а бактерии способны эту пыль поглощать, приобретая таким образом новые гены.
Международной группой ученых были проведены исследования пыли из 19-ти городов мира 8-ми разных климатических зон. Было показано, что больше всего частичек с генами устойчивости «летает» в Сан-Франциско, а самым распространенными по всему миру оказались гены устойчивости к пенициллинам.
Ученых насторожило то, что в воздухе 6-ти исследуемых городов были обнаружены гены устойчивости к ванкомицину, антибиотику «последней надежды». По мнению исследователей появление этой «опасной пыли» происходит из-за испарения сточных вод фабрик, ферм и больниц, где довольно широко используются антибиотики.
Они попадают в воды, и обитающие там микроорганизмы постепенно вырабатывают устойчивость к препаратам, а затем эти гены распространяются воздушными потоками. Помимо антибиотиков существуют и другие способы для запуска борьбы с патогенами, если организм не может сам с ними справиться: введение иммунных сывороток с готовыми антителами к возбудителям заболеваний, использование синтетических цитокинов — молекул-регуляторов иммунного ответа, и многие другие.
Но в большинстве случаев, наш иммунитет в норме может ликвидировать практически любую инфекцию даже без запуска воспалительных процессов. Поэтому так важно поддерживать работу этой системы и избегать заблуждений, связанных с ее функционированием
Статьи по теме: