Международная группа ученых при участии исследователя из МГУ имени М.В.Ломоносова выяснила, с помощью какого фермента кишечной палочке удается дышать. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.
Ученые выяснили, каким образом бактерии кишечной палочки способны выживать в кишечнике человека — ранее вопрос о том, как они дышат, был загадкой для специалистов. Виталий Борисов, ведущий научный сотрудник, доктор биологических наук, профессор РАН, сотрудник НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского МГУ и один из авторов работы, поясняет, что для дыхания кишечная палочка использует особые ферменты, которые отсутствуют в организме человека. Это значит, что открытие ученых может способствовать созданию новых лекарственных препаратов, которые будут губительно действовать на бактерии, не причиняя вреда человеку.
Энергия для жизнедеятельности любого организма поступает с пищей и генерируется при помощи окислительно-восстановительных процессов в организме. Пища в энергию преобразуется не сразу, не напрямую, а через посредников. Сначала сложные молекулы разлагаются на более простые: белки разлагаются до аминокислот, жиры — до жирных кислот, углеводы — до моносахаридов. При окислении более простых молекул выделяется энергия, и вся она оказывается заключенной в электронах.
Электрон передается в дыхательные цепи на так называемые восстановительные эквиваленты (соединения, переносящие электроны). Ими являются НАДН (никотинамидадениндинуклеотид) и убихинол, также известный как коэнзим Q. Эти два основных восстановительных эквивалента полностью справляются с переработкой пищи: НАДН является водорастворимым соединением, а убихинол — жирорастворимым. Мембранные ферменты от восстановительных эквивалентов принимают электроны и передают на молекулярный кислород.
Терминальная цитохромоксидаза — главный мембранный фермент, отвечающий за митохондриальное дыхание человека и, как считалось до этого, за дыхание кишечной палочки тоже. Схема действия оксидаз проста: передавая электроны на молекулярный кислород, восстановительные эквиваленты снова окисляются, в результате чего генерируется «энергетическая валюта» клетки — протон-движущая сила.
«Если перестать дышать, мы умрем именно оттого, что кислород не будет поступать к оксидазе, и она не будет производить энергию», — поясняет Виталий Борисов.
Бактерия кишечной палочки (E. coli) живет в желудочно-кишечном тракте, где вырабатывается много сероводорода, ослабляющего митохондриальное дыхание. Свободный сероводород подавляет работу цитохромоксидазы. Его концентрация в сотни раз превышает минимально необходимую концентрацию для существенной блокировки этого фермента. Казалось бы, это должно означать, что «дышать» бактерия E. сoliне может, но вопреки всему бактерия почему-то выживает в кишечнике. Исследователи предположили, что дыхание в присутствии сероводорода все-таки возможно, но благодаря другой оксидазе. Дело в том, что дыхание у людей и бактерий происходит по-разному. Каждая клетка нашего организма «дышит» благодаря работе только цитохрома-с оксидазы, других у нас нет. А у бактерии кишечной палочки есть оксидазы двух типов: цитохромоксидаза типа bo(аналог «человеческой» цитохром-с оксидазы) и совершенно другие цитохромы-bd.
«Наша гипотеза заключалась в том, что оксидазы типа bd (bd-I и bd-II) более устойчивы к ингибированию сероводородом, чем цитохромоксидаза типа bo», — комментирует Виталий Борисов.
Для проверки данной гипотезы требовалось узнать, как присутствие сульфида в среде влияет на рост клеток бактерии E. coli, у которых в дыхательной цепи имеется только одна из терминальных оксидаз (bd-I, bd-II или bo). В работе использовались различные биохимические, биофизические и микробиологические методы и подходы, а также метод направленного получения мутаций.
Гипотеза полностью подтвердилась. «Активность оксидазы bo ингибируется сероводородом полностью, тогда как на работу оксидаз bd H2S совсем не действует. Таким образом, чтобы успешно производить основные виды «энергетической валюты» в условиях высокого содержания сероводорода, представители кишечной микрофлоры должны задействовать уникальный тип терминальных оксидаз, который отсутствует в клетках человека и животных», — комментирует Виталий Борисов.
Открытие может быть использовано в будущем для создания медицинских препаратов, регулирующих микрофлору кишечника и избавляющих его от вредных бактерий. Поскольку клетки человека не содержат оксидаз типа bd, становится актуальным вопрос о возможности борьбы с болезнетворными бактериями, не причиняя вреда человеческому организму. К примеру, вызывающая туберкулёз бактерия, главным мембранным ферментом которой также является оксидаза типа bd, быстро приобретает устойчивость к классическим антибиотикам. Благодаря настоящему исследованию появилась перспектива создания нового типа антибиотиков, «перекрывающих кислород» только клеткам вредных бактерий, а не клеткам человека.