Препараты, содержащие ароматические гетероциклы, лучше проникают в туберкулезную микобактерию

Туберкулез, вызываемый бактерией Mycobacterium tuberculosis (Mtb), ежегодно уносит более миллиона жизней. Лечение антибиотиками длительно и не всегда эффективно — его успех зависит в том числе от того, насколько препарат способен проникнуть в бактериальную клетку. Внешняя мембрана M. tuberculosis труднопроницаема, и лишь немногие препараты могут преодолеть ее так, чтобы накопиться в клетке в достаточном количестве. Авторы статьи в Nature Microbiology выяснили, какие химические особенности способствуют проникновению молекул через мембрану микобактерий. 

Чтобы выявить молекулярные основы селективной проницаемости мембран Mtb, ученые применили метод оценки доступности пептидогликана с помощью клик-химии (Peptidoglycan Accessibility Click-Mediated AssessmeNt, PAC-MAN). В этом методе пептидогликан — полимер клеточной стенки, расположенный непосредственно под внешней мембраной, — помечается с помощью дибензоциклооктинового (DBCO) зонда. Молекулы, проникновение которых требуется оценить, помечают азидом, который способен взаимодействовать с DBCO на пептидогликане. Непрореагировавший DBCO окрашивают флуоресцентным зондом, который также помечен азидом — интенсивность флуоресценции в таком анализе обратно коррелирует с проникающей способностью изучаемой молекулы. 

Принцип метода PAC-MAN.
Credit:
Nature Microbiology (2026). DOI:  10.1038/s41564-026-02412-5 | CC BY 

Авторы использовали PAC-MAN для скрининга Mtb и модельной микобактерии M. smegmatis — они проанализировали в общей сложности1572 помеченных азидом молекул. Наличие в структуре ароматических гетероциклов, таких как индол, имидазол или пиразол, положительно коррелировало с проникновением через внешнюю мембрану обоих микобактерий, а таких структур, как циклопентан или циклогексан — наоборот.

Затем ученые создали модель машинного обучения MycoPermeNet, которая прогнозирует способность молекулы проникать через внешнюю мембрану микобактерии, исходя из особенностей структуры. На вход она принимает данные скрининга и структуру молекулы, представленную в соответствии с правилами SMILES. Среди 20 структур, которые по прогнозам должны проникать через мембрану Mtb лучше всего, оказались индол, имидазол, пиразол и их близкие структурные аналоги. 

Исследователи предположили, что корреляция между особенностями структуры и проницаемостью через мембрану микобактерий обусловлена причинно-следственной связью. Гипотезу проверили на серии малых молекул — производных антитуберкулезного препарата JSF-2985. Ученые синтезировали его аналоги с азидной группой, необходимой для применения PAC-MAN, и с пятичленными гетероциклами, которые по прогнозам положительно (имидазол, пиразол и пирролидин) или отрицательно (циклопентан) коррелировали с проницаемостью мембраны. Производные JSF-2985 с имидазольным, пиразольным и пирролидиновым радикалами проникали через мембрану лучше, чем производное с циклопентановой модификацией. 

Однако профили проникновения производных JSF-2985 через мембрану не отражали их ингибирующего действия на рост Mtb. Отсутствие корреляции может указывать на то, что микомембрана не служит здесь ключевым барьером. В пользу этого говорят результаты эксперимента, в котором авторы обработали Mtb этамбутолом — он разрушает внешнюю мембрану этой бактерии. На антибактериальную активность JSF-2985 такая обработка не повлияла.

Однако в случае других антимикробных соединений — пептида октилтридекаптина А1 (OctTriA1) и его производного, в котором один остаток фенилаланина заменен на триптофан (OctTriA5), — разница наблюдалась. (Триптофан, в отличие от фенилаланина, содержит в своей структуре индольную группу). Аналоги OctTriA5 лучше ингибировали рост M. tuberculosis и M. smegmatis, чем аналоги OctTriA1. 

Таким образом, с помощью хемоинформатики и машинного обучения авторы определили характеристики молекул, связанные с их проникновением через внешнюю мембрану Mtb. Механизм, объясняющий эту связь, пока неизвестен, но авторы уже показали, что в некоторых случаях наличие индольной структуры не только улучшало проникновение в клетки микобактерий, но и повышало антибактериальную активность препарата. 

Туберкулезной микобактерии помогает выжить внутри макрофага его собственный рецептор