Коллектив ученых факультета биоинженерии и биоинформатики, химического факультета и Передовой инженерной школы МГУ разрабатывают новый класс химерных молекул на основе гепотидацина и линезолида, способных действовать на две мишени одновременно – подавлять работу топоизомеразы II и блокировать бактериальную рибосому. С помощью молекулярного докинга команда отобрала несколько соединений, которые показали высокое сродство к обеим мишеням. Такой двойной механизм действия не оставляет патогенам шансов для быстрой адаптации и формирования устойчивости к антибиотику, что может стать основой для терапии инфекций, вызванных устойчивыми штаммами.
Исследование ингибиторов топоизомеразы II является продолжением работы о топоизомеразе I, результаты которой опубликованы в журнале Molecules.
Бактериальные инфекции с каждым годом становятся всё более грозным противником: микроорганизмы эволюционируют быстрее, чем учёные успевают создавать новые антибиотики, а фармацевты выпускать их на рынок. Особую опасность представляют штаммы с множественной лекарственной устойчивостью, для лечения которых врачам приходится использовать резервные препараты с тяжелыми побочными эффектами. Поиск новых антибиотиков, изучение их механизмов действия и усовершенствование уже известных молекул способны решить проблему антибиотикорезистентности, чем ученые из МГУ интенсивно и занимаются. Бактериальная ДНК-гираза (ДНК-топоизомераза II типа) – одна из главных мишеней для антибиотиков: этот фермент отвечает за суперспирализацию ДНК, без которой невозможно деление клетки. Однако классические ингибиторы, такие как фторхинолоны, с каждым годом теряют эффективность из-за точечных мутаций в активном центре мишени. Альтернативный подход – использовать интеркаляторы, которые встраиваются между парами оснований ДНК в комплексе с ферментом, физически блокируя его работу. Гепотидацин обладает именно таким механизмом, но его клиническое применение ограничено ввиду побочных эффектов и сложности синтеза.
Учёные решили взять от гепотидацина самое главное – его интеркалирующее ядро – и построить вокруг него принципиально новые структуры. Концепция гибридных молекул, основанных на структурах известных антибиотиков, соединенных линкером (молекулярным «мостиком»), позволяет повысить эффективность антибактериальных препаратов, а значит и увеличить шансы в борьбе с устойчивыми штаммами.
«Мы решили пойти не по пути модификации существующих препаратов, а по пути их рационального объединения. Взяли за основу гепотидацин, который нарушает работу фермента топоизомеразы II, и линезолид – известный ингибитор синтеза белка. Наша задача состояла в том, чтобы соединить их активные фрагменты через линкер, сохранив способность каждой части взаимодействовать со своей мишенью», – рассказал Дмитрий Лукьянов, старший научный сотрудник лаборатории химии нуклеопротеидов химического факультета МГУ.
Для начала команда выделила интеркалирующее ядро из структуры гепотидацина и поместила его в активный центр ДНК-гиразы в комплексе с ДНК. Чтобы понять, как именно это ядро может располагаться внутри, ученые запустили неравновесную молекулярную динамику – метод, который позволяет моделировать движение молекулы в белке в течение длительного времени, фиксируя все возможные конформационные изменения. Полученные траектории движения комплекса исследуемых молекул были обработаны с помощью кластеризации: так выделили несколько принципиально разных конформаций связывания. Далее каждую из этих конформаций обрабатывала диффузионная генеративная нейросеть – она, подобно тому, как нейросети генерируют изображения по текстовому описанию, достраивала недостающие химические группы вокруг ядра прямо в контексте активного центра, создавая сотни вариантов полноценных молекул-кандидатов.
Сгенерированные нейросетью структуры прошли строгий многоступенчатый отбор. Сначала нейросетевая скоринг-функция GNINA (основанная на свёрточных нейросетях) оценила сродство каждой молекулы к мишени, отсеяв варианты с низким прогнозируемым связыванием. Преимущество GNINA в том, что она обучается на экспериментальных структурах комплексов и лучше учитывает «гибкость» белка и водородные связи. Затем химики-синтетики провели ручную валидацию оставшихся кандидатов: они оценили возможность синтеза в лабораторных условиях, отсутствие токсичных групп и пространственную укладку линкеров. В итоге был сформирован пул из нескольких десятков соединений, которые, согласно расчётам, удерживаются в активном центре гораздо прочнее нативного гепотидацина за счёт того, что нейросеть смоделировала неочевидные боковые заместители, идеально дополняющие рельеф белка.
По результатам молекулярного моделирования исследователи отобрали несколько наиболее перспективных соединений, синтезом которых теперь предстоит заняться химикам. Синтез позволит проверить достоверность работы нейросетей на практике и оценить способность новых соединений подавлять рост бактерий за счет двойного механизма действия. После синтеза пройдет серия биологических испытаний: молекулы протестируют на грамположительных и грамотрицательных бактериях, а также на дрожжах, определят минимальную ингибирующую концентрацию и проведут in vitro эксперименты (на культурах клеток) с топоизомеразой II, чтобы подтвердить предполагаемый двойной механизм действия. Если результаты окажутся успешными, новые соединения могут стать основой для разработки антибиотиков против устойчивых бактериальных инфекций.