Как нарушение синтеза пептидогликана останавливает клеточное деление

Основным компонентом клеточной стенки бактерий является пептидогликан. В арсенале современной медицины есть несколько групп антибактериальных препаратов, нарушающих синтез пептидогликана и препятствующих делению бактерий. Однако механизм действия подобных антибиотиков ясен не до конца.

Чтобы прояснить этот вопрос, ученые из Университетской клиники Бонна и Боннского университета подвергали бактерию Staphylococcus aureus воздействию антибиотиков гликопептидов (ванкомицин, телаванцин) и бета-лактамов (оксациллин). S. aureus — это грамположительная бактерия, которая представляет большую опасность в связи с развитием множественной лекарственной устойчивости.

Чтобы визуализировать, что происходит с клетками после использования антибиотиков, ученые пометили основные белки, участвующие в деление бактерий, флюоресцентными красителями. Одним из таких белков является FtsZ (filamenting temperature-sensitive mutant z). Он способен к полимеризации в филаменты, которые участвуют в образовании Z-кольца. Z-кольцо, в свою очередь, необходимо для формирования септальной перегородки в процессе клеточного деления.

Бактерии визуализировали с помощью микроскопии, а для комплексной оценки использовали автоматизированный анализ изображений CAP (convolved average projections), позволяющий объединить полученные флуоресцентные микрофотографии индивидуальных клеток образца в одно изображение.

Данный метод позволил выявить, что после воздействия антибиотиков растет количество клеток с увеличенным Z-кольцом. Чтобы подтвердить полученные результаты, ученые использовали конфокальную микроскопию сверхвысокого разрешения Airyscan, которая позволила определить диаметр Z-кольца. Оказалось, что средний диаметр Z-кольца резко увеличился на 30% (ванкомицин), 41% (телаванцин) и 44% (оксациллин) по сравнению с диаметром в клетках, которые не подвергались действию антибиотиков. Увеличение размера, наблюдаемое после использования антибиотиков, свидетельствует о серьезном нарушении прогресса клеточного деления.

Чтобы оценить, насколько быстро развивается эффект, ученые использовали микроскопию живых клеток и сравнивали динамику изменений Z-кольца в течение клеточного цикла в необработанных антибиотиком клетках и в тех, что подверглись воздействию антибиотиков. Гликопептиды (ванкомицин и телаванцина) за несколько минут полностью устраняли сужение перегородки. Эффект бета-лактамов (оксациллина) зависел от стадии клеточного деления. Наибольший эффект наблюдался в клетках, находящихся в ранней стадии деления.

Кроме того, ученые акцентировали внимание на изменениях, происходящих с белком PBP2 (penicillin-binding protein 2). После добавления оксациллина в клетках изменилась локализация PBP2; клетки хуже рекрутировали данный белок в септальную перегородку. То есть в результате воздействия антибиотика белок находился не там, где должен был, что делало дальнейший процесс деления клетки невозможным.

Полученные результаты способствуют более глубокому пониманию того, как действуют антибиотики, направленные на подавление синтеза клеточной стенки. Возможно, это поможет в разработке новых препаратов и позволит обойти механизмы лекарственной устойчивости бактерий.

Когда два антибиотика хуже одного