Brytyjscy naukowcy przeanalizowali strukturę ściany komórkowej gronkowca złocistego opornego na metycylinę i doszli do wniosku, że geny oporności pozwalają mu dzielić się w obecności antybiotyków w alternatywny sposób, dzięki drugiej architekturze ściany. Sprawozdanie z prac opublikowano w czasopiśmie Science, gdzie poświęcono im artykuł redakcyjny.
Po masowym zastosowaniu penicyliny beta-laktamowej w latach 40. i 50. XX wieku oporne szczepy gronkowca złocistego (Staphylococcus aureus) zaczęły się szybko rozprzestrzeniać ze względu na produkcję beta-laktamaz. Aby je zwalczać, w 1959 roku wprowadzono metycylinę, pochodną penicyliny, której ten enzym nie rozkłada. Jednak już w kolejnej dekadzie odnotowano zakażenia wywołane przez gronkowca złocistego opornego na metycylinę (MRSA), który jest obecnie jedną z najgroźniejszych bakterii opornych na antybiotyki, zabijającą ponad 100 000 osób na godzinę.
Antybiotyki beta-laktamowe działają poprzez blokowanie białek wiążących penicylinę (PBP) — enzymów odpowiedzialnych za tworzenie peptydoglikanów w ścianie komórkowej bakterii. Staphylococcus aureus ma ich cztery, ale tylko PBP1 i PBP2 są niezbędne do budowy ściany komórkowej. MRSA ma wariant genu PBP2a, który nie jest charakterystyczny dla tego gatunku, o niskim powinowactwie do większości beta-laktamów, który jest uzyskiwany z innych gatunków gronkowców, jest kodowany przez gen mecA i jest przenoszony poziomo przez kasety genetyczne SCCmec różnych typów. Może pełnić funkcje transpeptydazy PBP2, ale nie PBP1. Taka adaptacja zapewnia ochronę przed niskimi stężeniami metycyliny, jednak w przypadku około jednej na 10 tysięcy komórek MRSA oporność jest wyjątkowo wysoka ze względu na dodatkowe mutacje w genach potencjalizujących (pot), w tym genach kodujących podjednostki polimerazy RNA (rpo*), a w obecności antybiotyku komórki te podlegają pozytywnej selekcji.
Simon Foster z Uniwersytetu w Sheffield i jego współpracownicy zastosowali mikroskopię sił atomowych o wysokiej rozdzielczości (AFM) do zbadania struktury ściany komórkowej szczepu Staphylococcus aureus wrażliwego na antybiotyki (MSSA) oraz tego samego szczepu wyposażonego w gen mecA (czyli MRSA). W przypadku obu bakterii, w nieobecności antybiotyków, peptydoglikany na powierzchni zewnętrznej miały strukturę wielkokomórkowej siatki z dużymi porami, a po stronie wewnętrznej, gdzie są syntetyzowane, tworzyły znacznie gęstszą sieć. Podczas formowania nowej ściany, która służy jako przegroda dla komórek potomnych w czasie podziału, jej zewnętrzne peptydoglikany zostały złożone 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.