Prof. Jaskólski - Wojna z antybiotykoopornością

Fotografia w nagłówku
Prof. Mariusz Jaskólski/ Fot. Adrian Wykrota
Prof. Mariusz Jaskólski/ Fot. Adrian Wykrota

Jest w światowej czołówce krystalografów grupa ludzi, która dba o wiarygodność nauki i nie wybacza błędów. Mówią o nich „policjanci PDB” (Protein Data Bank). Jest wśród nich profesor Mariusz Jaskólski z Wydziału Chemii, który w ostatnim zeszycie Drug Resistance Updates opublikował wraz ze współpracownikami pracę dotyczącą metalo-β-laktamaz. Niezwykle ważną w kontekście antybiotykooporności.

Zespół poznańskich krystalografów wraz z ekspertami z Uniwersytetu w Wirginii i z Narodowego Instytutu Rakowego w USA podjął jeden z najbardziej aktualnych problemów medycyny, związany z antybiotykoopornością bakterii chorobotwórczych. Niestety coraz częściej groźne dla nas bakterie nabywają zdolność do rozkładania wszelkich antybiotyków, jakie mamy do dyspozycji, w tym antybiotyków ostatniego ratunku z grupy β-laktamów, podobnych chemicznie do penicyliny. Za rozkład tych leków odpowiadają m.in. enzymy zwane metalo-β-laktamazami.

- Panie profesorze, sami zgotowaliśmy sobie ten los?

- Niestety bardzo przyspieszyliśmy ten proces. Wyselekcjonowaliśmy bakterie z opornością oraz zmusiliśmy je do takiej ewolucji, aby poradziły sobie z antybiotykami i wskutek tego obecnie są one już powszechne – mówi profesor Mariusz Jaskólski.

Profesor jest związany z UAM od czasu studiów. Jak sam mówi, miał szczęście, bo w 1988 roku znalazł się w zespole, który odniósł ogromny sukces podając medycynie target do projektowania leków przeciwko wirusowi HIV. Przedstawiony wówczas opis struktury proteazy retrowirusowej pozwolił w krótkim czasie stworzyć leki, dzięki którym tysiące pacjentów żyje, a diagnoza przestała być wyrokiem śmierci. Profesor jest z tego dumny i choć wtedy to była nowinka jeśli chodzi o podejście do projektowania leków, to dzisiaj jest to normą.

- Działamy. Robimy wszystko, aby uchronić nasz arsenał antybiotyków. Sytuacja jest zła, a sprawa niezwykle paląca. Dopóki nas to osobiście nie dotknie, to możemy sobie wmawiać, że są to jakieś odległe sprawy. Sam jednak zetknąłem się kilka razy z sytuacją, gdy antybiotyki nie radziły sobie z infekcją – mówi profesor. - Po raz pierwszy, kiedy znajomy był po operacji i nie można było mu zaleczyć prostej rany, bo miał zakażenie szpitalnym szczepem bakterii opornych na większość antybiotyków. Ostatecznie się udało i ów pan wrócił do zdrowia. Teraz mąż kuzynki złapał infekcję, której nie można zwalczyć żadnym antybiotykiem. Sprawa jest zła.

Czytaj też: Cudowne ziele nie tylko na raka

Żeby zrozumieć, z czym mamy do czynienia, trzeba wrócić do Aleksandra Fleminga, odkrywcy penicyliny z 1928 roku. To był przełom, bo wówczas ludzie umierali na najprostsze infekcje; i raptem znalazł się Fleming, który przypadkowo zostawił zabrudzona płytkę w laboratorium. Pojawiła się pleśń a z nią odkrycie, że w jej pobliżu nie ma bakterii.

- Początkowo nie było wiadomo, jak stosować penicylinę, więc np. smarowano nią rany, a dopiero później pojawił się pomysł z aplikowaniem odpowiednich dawek wewnętrznie – mówi profesor Jaskólski. Penicylina czyniła cuda niszcząc groźne bakterie niemal momentalnie. Jednak już wówczas Fleming zauważył, że penicylina musi być stosowana z umiarem – tylko tam, gdzie jest skuteczna, ale jednocześnie zgodnie z żelaznymi regułami dawkowania.

Są bowiem bakterie, niekoniecznie chorobotwórcze, które są „genetycznie” oporne na antybiotyki. Jeśli będziemy aplikować antybiotyk bez ograniczeń, przeprowadzimy selekcje oporności: przeżyją bakterie z opornością, zginą nieoporne. Czyli w końcu wyhodujemy sobie takie środowisko, w którym będą dominowały bakterie, które przeżyły antybiotyki i na które nasz antybiotyk – gdy przyjdzie potrzeba - nie zadziała.

- I tak się stało. Historia pokazuje, że lekarze zaczęli przypisywać antybiotyki, gdy tylko istniało jakieś podejrzenie, na zasadzie profilaktyki – „Może damy osłonowo”. Działało to z początku fantastycznie. Cudowne leki. Ale strona medyczna to tylko część, i to zdecydowanie mniejsza część, problemu związanego z przesadnym stosowaniem antybiotyków – dodaje nasz rozmówca.

Profesor Jaskólski uważa, że znacznie większą odpowiedzialność za nierozsądne wpompowanie antybiotyków do naszego środowiska i osłabienie ich skuteczności ponosi rolnictwo.

- Gdy zauważono, że antybiotyki działają na zwierzęta podobnie jak na ludzi, to i tu zaczęto je stosować - mówi. -  A gdy stwierdzono, że antybiotyk powoduje dodatkowo przyrost masy mięśniowej, to stało się to wręcz opłacalne. Antybiotyki zaczęły trafiać do pasz i to wcale nie w mikroskopijnych dawkach. I o ile w Europie mamy świadomość zagrożenia i są pewne uregulowania, to w takich krajach jak Chiny panuje wolna amerykanka i chyba nikt nie potrafiłby oszacować ilości antybiotyków wpompowanych w tamtejszą hodowlę zwierząt. I stało się niestety tak, że poddane presji ewolucyjnej bakterie zaczęły mutować na potęgę.

- Panie profesorze, czy chce pan powiedzieć, że cudowny lek z pracowni Aleksandra Fleminga już nie jest taki cudowny?

- Żeby odpowiedzieć na to pytanie potrzebna jest krótka dygresja na temat leku i krystalografii, którą się zajmuję. Otóż wzór chemiczny penicyliny poznano stosunkowo wcześnie. Długo jednak nie można było ustalić budowy przestrzennej tej molekuły. Stało się to dopiero pod koniec II wojny światowej, dzięki badaniom krystalograficznym Dorothy Hodgkin w Anglii. Dorothy Hodgkin ustaliła, że w strukturze penicyliny występuje bardzo nietypowy pierścień czteroczłonowy, tzw. pierścień β-laktamowy. Swoisty dziwoląg, szczególnie w świecie molekuł biologicznych. Pamiętajmy, że odkrytą przez Fleminga penicylinę wytwarzają grzyby, do których należy pleśń. Mimo początkowego niedowierzania, świat chemiczny musiał w końcu pogodzić się z wynikami Dorothy Hodgkin, bo krystalografia ma to do siebie, że jak coś ustali w sprawie budowy molekuł chemicznych, to jest to zwykle pewne „na bank”. Ostatecznie ustalono, że to właśnie pierścień β-laktamowy jest sercem molekuły penicyliny, gdyż dzięki niemu penicylina jest zabójcza dla bakterii, a więc jest antybiotykiem. Bakterie różnią się od innych komórek między innymi tym, że oprócz otaczającej je błony komórkowej mają jeszcze specjalnie skonstruowaną ścianę komórkową. Za budowę ściany odpowiadają wyspecjalizowane białka, m.in. PBP, wykorzystujące w tym celu odpowiednie elementy konstrukcyjne. Swoją budową penicylina (a także inne antybiotyki β-laktamowe) idealnie pasuje – jak klucz do zamka – do białka PBP (skrót ten – Penicillin Binding Protein – podkreśla to dopasowanie). Związanie penicyliny przez PBP „zatrzaskuje” zamek – nie może on już pełnić swojej funkcji; budowa ściany komórkowej zostaje zatrzymana. Podanie penicyliny powoduje więc, że komórka nie zbuduje ściany i zginie.

Ale bakterie nie poddają się tak łatwo. Mają do dyspozycji dwa „asy w rękawie”. Pierwszy to mechanizmy ewolucji, które sprawiają, że pojawiają się nowe enzymy – β-laktamazy - potrafiące rozkładać penicylinę. Drugi trick to zdolność do wymiany informacji genetycznej – np. o enzymie NDM przydatnym do „wykiwania” antybiotyku - nawet pomiędzy niespokrewnionymi bakteriami. Rozpoczyna się swoisty wyścig zbrojeń, a w zasadzie wyścig o zdrowie i życie ludzkie. Bakterie nauczyły się rozkładać penicylinę, więc naukowcy wymyślili nowy rodzaj antybiotyku; bakterie i na niego znalazły sposób, itd. Niestety w końcowym rozliczeniu bakterie wygrały: skończyły się nasze pomysły na nowe antybiotyki, a wszystkie dotychczasowe stają się bezużyteczne. W arsenale bakteryjnych β-laktamaz szczególnie groźne są metalo-β-laktamazy, takie jak słynny NDM, zawierające dodatkowo metal. To właśnie tymi enzymami zajął się polski zespół.

- Epidemiologicznie sytuacja stała się szczególnie trudna ze względu na wspomnianą wymianę genetyczną pomiędzy różnymi bakteriami – stwierdza profesor. – W wymianie tej bakterie „obracają” plazmidami, które są kolistymi cząsteczkami DNA kodującymi jakieś korzystne dla nich cechy, np. oporność na antybiotyki. Jeśli pojawi się w środowisku plazmid kodujący dla przykładu oporność na penicylinę, to może zostać przekazany każdej innej bakterii. Wyobraźmy sobie taką sytuację. Nie jestem chory, nie mam żadnego zakażenia, a mój organizm nie jest atakowany przez bakterie patogenne. Oczywiście w swoim organizmie mam przynajmniej kilka kilogramów bakterii, z którymi żyję w symbiozie. Jeśli przyjmę antybiotyk, to bakterie te na niego zareagują. Ale sytuacja się zmienia. Stykam się z osobą, która jest nosicielem oporności, np. NDM, czyli posiada bakterie, nawet niegroźne, która są oporne na antybiotyki. Albo wykąpałem się z jeziorze w Chinach, gdzie żyją bakterie z opornością NDM. Na mojej skórze są teraz bakterie z plazmidem NDM. Przekazują go innym bakteriom w moim organizmie. Ciągle nic się nie dzieje, ale tylko do czasu, gdy dopadnie mnie infekcja bakterią chorobotwórczą. Bakteria ta może być oporna na antybiotyk lub nie – to nie ma znaczenia, gdyż i tak tę oporność uzyska z mojego rezerwuaru NDM. I w tym momencie sytuacja staje się tragiczna, gdyż mojej infekcji nie zwalczą dostępne antybiotyki. Moja sytuacja nagle zaczyna przypominać sytuację chorego jeśli nie w średniowieczu to na pewno przed rokiem 1928!

Wyniki badań opublikowane w Drug Resistance Updates dają jednak nadzieję. Badacze działali w międzynarodowym zespole biologiczno-chemicznym z przewagą krystalografów. Ich celem było poszukiwanie molekuły, czynnika chemicznego, który potrafiłby zablokować metalo-β-laktamazy, a więc skontrować oporność bakterii i przywrócić naszym antybiotykom ich moc. W swoich badaniach uczeni wykorzystali bazę PDB, Protein Data Bank, w której od początku lat 70. deponowane są struktury białek określone doświadczalnie, głównie przez krystalografów. Dziś baza PDB zawiera ok. 150 tysięcy takich struktur.

- Realizując w ramach grantu NCBR nasz projekt badawczy przyjrzeliśmy się najpierw temu, co zrobili już inni - mówi prof. Jaskólski - Zajrzeliśmy do PDB i stwierdziliśmy, że jest tam już kilkaset struktur metalo-β-laktamaz. Bardzo dużo. Zaczęliśmy się im bardzo skrupulatnie przyglądać. I o ile większość była bardzo porządnie zrobiona, zgodnie z wszelkimi prawidłami sztuki, to znalazły się i takie „rodzynki”, które miały różne mankamenty lub były wręcz złe. Np. zawierały nie ten antybiotyk co trzeba. Wyhaczyliśmy kilkanaście takich problematycznych struktur, 10 z nich gruntownie poprawiliśmy, a wyniki opublikowaliśmy.

Poprawianie wyników innych często nie jest najwdzięczniejszym zadaniem. Zespół kierowany przez prof. Jaskólskiego przyjął zasadę, że najważniejsza jest otwartość i chęć współpracy dla dobra nauki. Dlatego w przypadku każdej korygowanej struktury kontaktowano się z jej autorami proponując współpracę. W większości przypadków reakcja była bardzo pozytywna, prowadząca do harmonijnej współpracy. Tylko w jednym przypadku odpowiedź była negatywna, wręcz arogancka. Można powiedzieć, że omawiana praca przyczyniła się nie tylko do postępu enzymologii strukturalnej w kontekście antybiotykooporności, ale również wyznaczyła pewne normy w zakresie współpracy naukowej zmierzającej do eliminowania nieuniknionych przecież błędów i utrzymania wysokiego standardu badań naukowych.

- To nie był pierwszy raz, gdy zajęliśmy się porządkowaniem pewnych sektorów PDB. Hołduję zasadzie najwyższej staranności i skrupulatności badań. Z powodu naszej działalności uważani jesteśmy za „policję PDB”, czasem złośliwie, lecz przeważnie z uznaniem. Naszym celem jest maksymalna wiarygodność nauki. Chcemy, aby kolejny badacz otrzymywał informację wiarygodną „na bank” i nie musiał marnować sił i środków w ślepych uliczkach wygenerowanych przez nierzetelnych poprzedników. Cały czas pracujemy jednak nad metodą, która pozwoliłaby zablokować  metalo-β-laktamazy i tym samym przywróciła nadzieję na uratowanie naszych antybiotyków.
 

 

Nauka Wydział Chemii