Brytyjscy badacze przeanalizowali strukturę ściany komórkowej opornego na metycylinę Staphylococcus aureus i doszli do wniosku, że geny oporności umożliwiają mu podział w obecności antybiotyków w alternatywny sposób z architekturą drugiej ściany. Relację z prac opublikowano w czasopiśmie Science, gdzie poświęcono jej artykuł redakcyjny.
Po masowym zastosowaniu penicyliny beta-laktamowej w latach czterdziestych i pięćdziesiątych XX wieku, oporne szczepy gronkowca złocistego (Staphylococcus aureus) zaczęły szybko się rozprzestrzeniać ze względu na produkcję beta-laktamaz. Aby je zwalczać, w 1959 roku wprowadzono metycylinę, pochodną penicyliny, która nie jest niszczona przez ten enzym. Jednak już w następnej dekadzie zarejestrowano zakażenia wywołane przez metycylinoopornego Staphylococcus aureus (MRSA), który obecnie jest jedną z najniebezpieczniejszych bakterii antybiotykoopornych, zabijającą ponad 100 000 osób na godzinę.
Antybiotyki beta-laktamowe działają poprzez blokowanie białek wiążących penicylinę (PBP) — enzymów odpowiedzialnych za składanie peptydoglikanów w ścianie komórkowej bakterii. Staphylococcus aureus ma ich cztery, ale tylko PBP1 i PBP2 mają kluczowe znaczenie dla budowy ściany komórkowej. MRSA posiada odmianę PBP2a, niecharakterystyczną dla swojego gatunku, o niskim powinowactwie do większości beta-laktamów, otrzymywaną z innych gatunków gronkowców, kodowaną przez gen mecA i przenoszoną horyzontalnie przez kasety genetyczne SCCmec różnych typy. Może pełnić funkcje transpeptydazy PBP2, ale nie PBP1. Urządzenie takie zapewnia ochronę przed niskimi stężeniami metycyliny, jednak u około jednej na 10 tysięcy komórek MRSA oporność jest niezwykle wysoka ze względu na dodatkowe mutacje w genach wzmacniających (pot), w tym kodujących podjednostki polimerazy RNA (rpo*), iw obecności tych antybiotyków komórki przechodzą pozytywną selekcję.
Simon Foster z Uniwersytetu w Sheffield i współpracownicy wykorzystali mikroskopię sił atomowych o wysokiej rozdzielczości (AFM) do zbadania struktury ściany komórkowej wrażliwego na antybiotyki szczepu Staphylococcus aureus (MSSA) i tego samego szczepu wyposażonego w gen mecA (który czyli MRSA). W przypadku braku antybiotyków w obu bakteriach, peptydoglikany na zewnętrznej powierzchni miały strukturę wielkokomórkowej siatki z dużymi porami, a po stronie wewnętrznej, gdzie są syntetyzowane, tworzyły znacznie gęstszą sieć. Podczas tworzenia się nowej ściany, która służy jako przegroda komórek potomnych podczas podziału, jej zewnętrzne peptydoglikany zostały zwinięte w charakterystyczne koncentryczne okręgi.
Под действием 1,5 микрограмма метициллина на миллилитр среды, что немного меньше минимальной подавляющей концентрации (МПК) для обычного MRSA, в стенке MSSA появлялись крупные отверстия и клетка погибала. У mecA+ MRSA в этих условиях в перегородке между клетками наружные пептидогликаны не формировали концентрическую структуру, а представляли собой плотную однородную сеть, при этом толщина стенки снижалась. Такая же утрата концентрических окружностей с формированием плотной сети наблюдалась у высокоустойчивого штамма MRSA, несущего мутацию rpoB* помимо гена mecA, при концентрации антибиотика 25 микрограмм на миллилитр (смертельной для MSSA и mecA+ MRSA), однако у него стенка утолщалась с образованием дополнительной выпуклости посередине. Аналогичные паттерны формирования стенки в присутствии антибиотика демонстрировали различные клинически значимые высокоустойчивые штаммы MRSA с разными типами SCCmec.
Выяснив это, авторы работы, экспериментируя с различными штаммами золотистого стафилококка, провели систематическое исследование молекулярных механизмов обычного (в отсутствие антибиотиков) и альтернативного (в их присутствии у устойчивых штаммов) способов деления клеток. Они выяснили, что за рост концентрических структур пептидогликанов в процессе деления отвечает только чувствительный к метициллину PBP1. Мутация rpoB может компенсировать траспептидазную активность этого белка, и именно она отвечает за формирование плотной сети пептидогликанов. В комбинации с замещением активности PBP2 устойчивым PBP2a это исключает необходимость в чувствительных PBP1 и PBP2, обеспечивая альтернативный способ деления и высокую резистентность к метициллину. Аналогично мутантному rpoB может действовать pot мутация гена rel, который отвечает за стрессовую реакцию бактерий на дефицит нутриентов, и обе этих мутации повышают концентрацию в клетке алармона гуанозинтетрафосфата.
В завершение авторы работы показали, что некоторые соединения могут вернуть MRSA чувствительность к метициллину в культуре при определенных мутациях: кломифен и спермин — при mecA+ pbp2* и mecA+ pbp2* rpoB*, но не pbp1* rpoB*; норгестимат — pbp1* rpoB* и mecA+ pbp2*, но не mecA+ pbp2* rpoB*, эпикатехина галлат — при всех трех. Имеет ли это клиническое значение, а также используют ли другие бактерии альтернативный синтез клеточной стенки при делении в присутствии антибиотиков, предстоит выяснить в дальнейших исследованиях.
Ранее было показано, что кожа людей может противостоять проникновению MRSA за счет выработки интерлейкина-8, из-за чего он может быть комменсалом в кожной микробиоте, а гаплонедостаточность гена OTULIN, напротив, предрасполагает к тяжелым стафилококковым инфекциям. При этом бета-лактамный цефалоспорин пятого поколения цефтобипрол пока сохраняет активность в отношении MRSA.