XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

В современном обществе существует проблема появления антибиотикорезистентности клеток к противомикробным препаратам. Исследования новых синтетических антибиотиков не успевают за скоростью мутации патогенных микроорганизмов и опухолевых клеток. Именно поэтому возрос интерес к нерибосомным пептидам, которые могут стать молекулами, способными преодолеть устойчивость к антибиотикам.

Нерибосомные пептиды (НРПС) – соединения, в состав которых могут входить помимо «кодируемых» и «некодируемые» аминокислоты, а также различные непептидные фрагменты, что обусловливает разнообразие синтезируемых молекул. Такие пептиды обладают сложным составом, включающим циклические, разветвленные циклические структуры, а также линейные молекулы, модифицированные протеиногенными и непротеиногенными аминокислотами.

Биосинтез нерибосомальных пептидов осуществляется большими мультиэнзимными системами, состоящими из модульных белков, каждый из

которых содержит 1000—1500 аминокислотных остатков и действует как независимый фермент [3]. Основные положения о механизме нерибосомального биосинтеза были заложены ещё в 70-х годах прошлого столетия. Предполагалось, что биосинтез нерибосомальных пептидов осуществляется на тиоматрице, где происходит аденилирование субстратной аминокислоты, а затем связывание её с активной SНгруппой4’-фосфопантотеина (ФП), простетической группой белка-переносчика. При взаимодействии этого интермедиата с соседней тиоэтерифицированной аминокислотой серией реакций транспептидации и транслокации шаг за шагом удлиняется пептидный продукт.

В дальнейшем в результате многочисленных исследований были сформулированы модульные принципы строения и функционирования НРПС [4,5]. В общем случае НРПС представляет собой линейную конструкцию, состоящую из отдельных модулей, соединенных между собой короткими пептидами (пептиды коммуникационного взаимодействия) (ПКВ) [6]. Каждый модуль отвечает за включение в синтезированный продукт одной аминокислоты в той последовательности, в какой они запрограммированы в линейной конструкции, в большинстве своём подчиняясь правилу колинеарности на генном уровне [7]. Минимальный модуль состоит из трёх ферментов-доменов, связанных между собой небольшими пептидами-линкерами [2, 8, 9].

Домен А узнает и удерживает аминокислоту, соответствующую месту данного модуля в системе НРПС, в присутствии ионов магния и АТФ активирует её, превращая в аминоациладенилат [7]. Тиолирующий домен — белок-переносчик (БП) связывает аминоациладенилат аминокислоты с SH-группой ФП и переносит её к каталитическому центру следующего модуля [3]. Образование пептидной связи катализируется конденсационным доменом С. В результате длина синтезируемого пептида увеличивается на одну аминокислоту с С-конца [9]. Крайний С-концевой модуль содержит домен тиоэстеразу (ТЕ), удаляющую готовый пептид с тиоматрицы. Модули могут также содержать эпимеразу, метилтрансферазуи др. [1]. В ряде случаев стартовый модуль дополнен доменом ацилирования N-концевой аминокислоты жирной кислотой [10].

Нерибосомные пептиды подразделяются на несколько функциональных групп в зависимости от области их применения [11]:

антибиотики (ванкомицин);

предшественники антибиотиков (ACV-трипептид — предшественник пенициллина и цефалоспорина);

иммуносупрессоры (циклоспорин);

противоопухолевые пептиды (блеомицин);

сидерофоры (пиовердин);

токсины (HC-токсин);

сурфактанты (сурфактин).

Действите всех антибикробных пептидов сводится к нескольким общим эффектам:

Действует как на грамположительные, так и на грамотрицательные микроорганизмы

Проявляют фунгицидную, инсектицидную, противовирусную, цитотоксическую (гемолитическую) активность

Наличие специфической молекулярной мишени в мембране клетки увеличивает активность АП

В модельных мембранах формируют поры и ионные каналы

Разрушают целостность клеточных мембран

Одним из самых известных препаратов-антибиотиков, основанных на нерибосомальных пептидах, является ванкомицин. На данный момент он является наименее преодолимым для суперрезистентных бактерий. Именно из-за таких свойств препарата он получил статус "антибиотика стратегического запаса", "лекарства последней надежды". Механизм его бактерицидного действия обусловлен ингибированием биосинтеза клеточной стенки. Кроме того, ванкомицин может изменять проницаемость клеточной мембраны бактерий и изменять синтез РНК. 

Ванкомицин активен в отношении грамположительных микроорганизмов, включая  гетерогенные метициллин-устойчивые штаммы),  Streptococcus pyogenes,  Streptococcus pneumoniae (включая пенициллин-устойчивые штаммы),  Streptococcus agalactiae,  Streptococcus viridans,  Streptococcus bovis и Enterococcus spp. (Enterococcus faecalis); Clostridium difficile (в том числе штаммы, вызывающие псевдомембранозный энтероколит), Corynebacterium diphtheriae. К другим микроорганизмам, которые чувствительны к ванкомицину относятся Listeria monocytogenes, роды бактерий Lactobacillus, Actinomyces, Clostridium spp. и Bacillus spp. In vitro некоторые изолированные штаммы энтерококков и стафилококков проявляют устойчивость к ванкомицину. Комбинация ванкомицина и аминогликозидов обладает синергизмом in vitro в отношении многих штаммов Staphylococcus aureus, Streptococcus viridans, Enterococcus spp., Streptococcus spp. (за исключением принадлежащих серогруппе D). Ванкомицин неактивен in vitro в отношении грамотрицательных микроорганизмов, микобактерий и грибов.

Таким образом, из-за высокой противомикробной активности нерибосомных пептидов именно эти соединения имеют значительную перспективу для фармакологии и медицины. Стимулом для этого должен стать поиск новых продуцентов и новых, неизвестных еще науке, нерибосомных пептидов. Это является одним из современных направлений науки в борьбе с мультирезистентностью микроорганизмов.

Список литературы:

Grüznewald Y., Marahiel M. A. Chemoenzymatic and tample-directed synthesis of bioactive macrocyclic peptides // Microbiol. Mol.Biol. Revs. 2006; V.70, № 1. P.121—146.

Strieker M., Marahiel M. A. The structural diversity of acidic lipopeptide Antibiotics // Chem. Biochem. , 2009. V. 10, № 4. P. 607—616.

Stein T., Vater J., Kruft V. et al. The multiple carrier model of nonribosomal peptide biosynthesis at modular multienzymatic templates // J. Biol. Chem., 1996. V. 271, № 26. P. 15428—435.

Conti E., Stachelhaus T., Marahiel M. A., Brick P. Structural basis for the activation of phenylalanine in the non-ribosomal biosynthesis of gramicidin S // EMBO J. 1997. V. 16. P. 4174—4183.

Lautru S., Challis G. L. Substrate recognition by nonribosomal peptide synthetase multi-enzymes // Microbiology. 2004, V. 150, № 6. P. 1629—1636.

Hahn M., Stachelhaus T. Selective interaction between nonribosomal peptidesynthetases is facilitated by short communication-mediating domains // Proc. Natl. Acad. Sci., 2004. V. 101, № 44. P. 15585—15590.

Stachelhaus T., Mootz H. D., Marahiel M. A. The specificity-conferring code of adenylation domains in nonribosomal peptide synthetases // Сhem. Biol., 1999. V. 6, № 8. P. 493—505.

Wu C-Y., Chen C-L., Lee Y-C. et al. Nonribosomal synthesis of fengycin on an enzyme complex formed by fengycinsynthetases // J. Biol. Chem. 2007. V. 282, № 8. P. 5608—5621.

Chiocchini C., Linne U., Stachelhaus T. In vivo biocombinatorial synthesis oflipopeptides by COM domain-mediated reprogramming of the surfactin biosynthetic complex// Chem.Biol., 2006. V. 13, № 8. P. 899—908.

Stachelhaus T., Mootz H. D., Bergendahl V., Marahiel M. A. Peptide bond formation in nonribosomal peptide biosynthesis. Catalytic role of the condensation domain // J. Biol.Chem., 1998.V. 273, № 35. P. 22773—22781.

Caboche S., Pupin M., Leclère V., Fontaine A., Jacques P., Kucherov G. NORINE: a database of nonribosomal peptides // Nucleic Acids Res., 2008. V. 36, D326–D331.

Выражаю особую благодарность научному руководителю, д.м.н., профессору Немцевой Н.В. за помощь в написании статьи.

Код для цитирования: Скопировать