Vývoj nových antibiotik, zejména účinných proti rezistentním bakteriím, je jednou z globálních zdravotnických výzev dneška. Pracovníci z Mikrobiologického ústavu AV ČR, v mezinárodní spolupráci s Tokijskou univerzitou, vyřešili strukturu klíčového kondenzačního (spojovacího) enzymu, který se využívá pro biosyntézu antibiotik, a objasnili tak na molekulární úrovni, jak funguje. Společné výsledky jsou natolik unikátní a významné, že vyšly v červnovém čísle Nature Catalysis.¹

„Podivný enzym" dostal označení pro svoji strukturu, která se nepodobá žádnému známému proteinu. Enzym „ptakopysk", jak mu také vědci říkají, pomůže při vývoji nových antibiotik. Spojuje unikátní jednotky ojedinělým způsobem. Na molekulární úrovni jej lze přirovnat právě k ptakopyskovi, který taktéž zdánlivě pochází z různých zvířat.

Výzkum funkčních antibiotik v Čechách

Látky účinné i proti obávaným zlatým stafylokokům a jiným nebezpečným bakteriím připravují vědci z Mikrobiologického ústavu AV ČR ve spolupráci s malou českou firmou Santiago Chemicals už několik let. Vycházejí z výzkumu, který začal pod vedením Jiřího Janaty v roce 2017. Tehdy vědci přišli s novým, účinnějším antibiotikem CELIN, které kombinuje stavební kameny dvou přírodních látek - CELesticetinu a LINkomycinux, které se spojily v syntetický produkt. Od té doby společně připravili desítky odvozených látek, několik je účinných i proti bakteriím rezistentním k antibiotikům.

.......................

Lincosamidy jsou antibakteriální sekundární metabolity produkované několika druhy Streptomyces. Navzdory malému počtu známých přírodních linkosamidů jsou linkomycin a jeho semisyntetický derivát klindamycin klinicky významnými antibiotiky, která se často používají proti grampozitivním bakteriím.

.......................

Tým Jiřího Janaty více jak deset let studoval, jakým způsobem vznikají v mikroorganismech přírodní linkosamidy. Pochopení těchto složitých procesů umožnilo vědcům najít správnou kombinaci přírodních stavebních kamenů a vytvořit nová antibiotika bez použití chemických procesů.

„Tímto krokem jsme napodobili, nebo dokonce i předběhli přírodu, kde obdobným způsobem evoluce přírodních antibiotik skutečně probíhá. Domníváme se, že námi připravené nové látky v přírodě existují, jenom je zatím nikdo neobjevil," řekl v roce 2017 Zdeněk Kameník, jeden ze spoluautorů studie.² Pro komerční využití však bude rozhodující, zda se podaří připravit mikroorganismy přímo produkující tyto látky.

V současnosti, v rámci projektu Národní centrum virologie a bakteriologie učinili vědci další přelomový krok, když s týmem profesora Ikura Abe z Tokijské univerzity objasnili strukturu podivného enzymu. Ten je zásadní pro přípravu zmiňovaného celesticetinu - bakteriostatického antibiotika.

„V letech 2015-2018 jsme výraznou měrou přispěli k vyřešení podivuhodné biosyntézy linkosamidových antibiotik (celesticetin a linkomycin), v nichž se jednotlivé stavební kameny sestavují jako v molekulární verzi stavebnice Lego. Když jsme si tyto principy vyzkoušeli při konstrukci hybridní látky CELIN, napadlo nás, že by naše stavební možnosti byly výrazně širší, kdybychom rozuměli funkci zásadních enzymů z biosyntézy přírodních linkosamidů," vysvětluje Jiří Janata.

Výjimečné výsledky díky česko-japonské spolupráci

Už podle sekvence zkoumaných enzymů bylo jasné, že budou hodně odlišné od všech dosud známých proteinů.

„Mě fascinoval klíčový kondenzační enzym, nepodobal se vůbec ničemu. Intuice v biologii říká, že právě unikátní systémy přinášejí ta nejzásadnější překvapení a přelomové objevy. Oslovil jsem tehdy profesora Abe, který se zabývá právě takovými neobvyklými enzymy tzv. speciálního (sekundárního) metabolismu přírodních látek, domluvili spolupráci při řešení struktury a funkce právě publikovaného kondenzačního enzymu," popisuje vznik spolupráce s Japonci Jiří Janata.

Do těch nejprestižnějších časopisů řady Nature se čeští vědci na úrovni rovnocenných partnerů prosadí zhruba jednou až dvakrát za rok. To jen potvrzuje, že výsledky jsou výjimečné. Spolupráce s japonskou skupinou se postupně rozšířila o další tři proteiny klíčové pro skládání a opracování stavebních kamenů antibiotik. Strukturu a funkce jednoho z nich objasňuje druhý společný článek v červencovém čísle jiného exkluzivního časopisu Angewandte Chemie. Další dva články obě skupiny připravují.

Náročná a nejistá cesta k úspěchu

Strukturu základní formy kondenzačního enzymu vyřešil Stanislav Kadlčík z Mikrobiologického ústavu AV ČR, který v roce 2019 pobýval jako postdoktorand v tokijské skupině.

„Studiu struktury proteinu předchází jeho čištění a krystalizace, což je dlouhá a nevyzpytatelná práce bez jistoty úspěchu. Každý protein vyžaduje specifické podmínky. Když máte štěstí a podaří se získat krystal proteinu v kvalitě dostatečné pro měření struktury, není ještě vyhráno a jste tak ve třetině cesty k cíli. K vyřešení mechanismu funkce neobvyklého proteinu musíte mít i krystaly se substráty enzymu, často právě tak neobvyklými a tedy nedostupnými. A pak se musí připravit a otestovat upravené formy enzymu. Takový výzkum trvá i několik let a kdykoli můžete narazit," vysvětluje náročnou práci Kadlčík.

Další spoluautor článku, Zdeněk Kameník z Mikrobiologického ústavu AV ČR, k tomu dodává: „Nejde přitom jen o překážky, které nám staví příroda. Když se dnes mluví o škrtech ve výdajích na vědu, málokdo si uvědomuje, jak je taková dlouhodobá mezinárodní spolupráce křehká. To, co se buduje a do čeho se investuje několik let, se dá i za jediný rok zničit. Partneři musí pokračovat v řešení svých projektů a výchově studentů bez ohledu na to, jaká je situace u nás. A je jasné, že právě na kvalitě dnešních vědeckých výsledků stojí naše konkurenceschopnost v příštích letech."

Porozumění řeči mikroorganismů je cestou ke zcela novým způsobům léčby infekcí

Přirovnání výstavby antibiotika z jednotlivých stavebních dílů ke skládačce Lega není náhodné. Antibiotika jsou speciálními molekulárními stavbami na míru, přesně zapadají do zásadních biologických struktur mikroorganismů. Proto jsou tak účinná jen proti bakteriím a pro člověka jsou neškodná. Rezistence k antibiotikům nějakým způsobem tuto do sebe zapadající skládačku ruší a antibiotika přestávají fungovat.

Gabriela Balíková Novotná, odbornice na antibiotickou rezistenci z týmu J. Janaty, doplňuje: „V přírodě vedle sebe po miliony let existují antibiotika i rezistence, a přesto antibiotika přetrvávají. Antibiotika a rezistence jsou totiž dvěma nedílnými součástmi širšího systému chemické komunikace mikroorganismů, zjednodušeně řečeno bakterií. Když z přírody odpozorujeme tyto principy, ‚porozumíme řeči bakterií', můžeme v budoucnu léčit infekční nemoci zcela novým způsobem. Nebude například nutné infekční agens antibiotiky zabít. Namísto toho bude možné patogenním bakteriím vyslat signály, které je přesvědčí k ústupu. Bude to taková informační válka namísto té likvidační. To, si myslím, je cesta pro příští desetiletí."

„Porozumění a využití řeči mikroorganismů je ústředním konceptem nejen týmu Jiřího Janaty, ale i sjednocující vizí našeho ústavu pro příští období. Je to téma pětiletého projektu podaného společně s VŠCHT a UK v rámci výzvy Špičkový výzkum OP JAK. Projekt si zatím v hodnocení stojí velmi dobře a v případě financování zásadně posune hranice poznání v oblasti komunikace mezi mikroorganismy navzájem i mezi mikroby a jejich prostředím a hostiteli," dodává k úspěchu svých pracovníků ředitel Mikrobiologického ústavu Jiří Hašek.

Zdroj: Tisková zpráva AV ČR

Literatura:
1. Mori, T., Kadlčík, S., Lyu, S. et al. Molekulární základ tvorby amidové vazby závislé na nosných proteinech v biosyntéze linkosamidových antibiotik. Nat Catal 6, 531-542 (2023). https://doi.org/10.1038/s41929-023-00971-y
2. http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/sc/c6sc04235j#!divAbstract