Механизм химической войны в микромире

В дикой природе микроорганизмы ведут непрерывную борьбу за сахар, аминокислоты и воду. Грибы рода Penicillium обитают в почве и на гниющих органических остатках рядом с миллиардами почвенных бактерий. Чтобы выжить и захватить питательный субстрат, плесень научилась вырабатывать сложные химические соединения, избирательно уничтожающие соседей. Выделение токсинов наружу стало эволюционным инструментом для расчистки жизненного пространства.

Главная мишень пенициллина — пептидогликан, также известный как муреин. Это жесткая полимерная сетка, которая образует каркас бактериальной стенки и защищает одноклеточный организм от осмотического шока. Концентрация солей и белков внутри бактерии значительно выше, чем в окружающей среде, поэтому вода непрерывно стремится проникнуть внутрь клетки. Стенка сдерживает гидростатическое давление, доходящее до нескольких десятков атмосфер.

Молекула пенициллина содержит четырехугольное бета-лактамное кольцо, по форме точно повторяющее концевые звенья аминокислот D-аланил-D-аланин в строящемся пептидогликане. Фермент транспептидаза, который должен сшивать соседние полисахаридные цепи в единый прочный каркас, по ошибке связывается с молекулой антибиотика. Пенициллин блокирует активный центр фермента необратимо. Бактерия продолжает увеличиваться в размерах, новые бреши в стенке не заделываются, оболочка истончается, и микроб погибает от осмотического разрыва.

Случайность в лаборатории Александра Флеминга

Историческое открытие произошло в сентябре 1928 года в лондонской больнице Святой Марии. Шотландский бактериолог Александр Флеминг исследовал свойства патогенного золотистого стафилококка Staphylococcus aureus. Ученый обладал исключительной научной интуицией, но редко наводил образцовый порядок на лабораторном столе. Отправляясь в конце августа в семейный отпуск, он оставил стопку засеянных агаровых чашек Петри в углу комнаты, не поместив их в термостат.

В лабораторию через открытое окно или сквозняком с лестничной клетки проникли споры плесневого гриба Penicillium notatum. В Лондоне как раз установилась прохладная погода, идеальная для медленного роста плесени, а затем последовало резкое потепление, спровоцировавшее размножение стафилококков. Вернувшись 3 сентября 1928 года, Флеминг перед мытьем посуды стал внимательно изучать каждую колонию. В одной из чашек он заметил островок зеленовато-серой плесени, вокруг которого бактериальный газон полностью растворился, превратившись в прозрачные капли.

Флеминг понял, что плесень выделяет в жидкую среду мощный растворимый бактерицид. Он отделил штамм, вырастил грибницу на питательном бульоне и провел серию испытаний. Полученный фильтрат даже в разведении один к восьмистам подавлял стафилококки, стрептококки, пневмококки и возбудителей дифтерии. При этом концентрированный сок плесени не разрушал лейкоциты крови и не вредил подопытным кроликам. В 1929 году исследователь опубликовал отчет в British Journal of Experimental Pathology, впервые употребив название пенициллин.

От лабораторного феномена к промышленному производству

Сам первооткрыватель не имел биохимической подготовки и не сумел выделить активный пенициллин в чистом виде. Молекула антибиотика быстро разрушалась на воздухе, распадалась при нагревании и теряла активность при малейших колебаниях кислотности среды. Почти на десять лет научная статья легла на полку архива.

В 1939 году оксфордская исследовательская группа под руководством австралийского патолога Говарда Флори и бежавшего из нацистской Германии биохимика Эрнста Чейна занялась повторным изучением пенициллина. Для очистки нестабильного вещества они применили метод лиофилизации и экстракции органическими растворителями при низких температурах.

  1. Весной 1940 года ученые провели ключевой эксперимент на восьми мышах, зараженных летальной дозой гемолитического стрептококка. Четыре грызуна получили терапию пенициллином и полностью выздоровели, четверо оставшихся без помощи погибли за семнадцать часов.
  2. В феврале 1941 года препарат впервые ввели умирающему человеку, полицейскому Альберту Александру с тяжелым сепсисом после ранения шипом розы. Больной пошел на поправку, но скудный запас лекарства быстро иссяк, препарат извлекали обратно даже из мочи пациента, однако дозы не хватило, и мужчина скончался.
  3. Летом 1941 года Флори отправился в США для развертывания промышленного синтеза, так как британские заводы были перегружены военными заказами.
  4. В 1943 году сотрудница лаборатории в Пеории Мэри Хант нашла на рынке подгнившую мускатную дыню с золотистой плесенью Penicillium chrysogenum, производившей в сотни раз больше антибиотика, чем исходный штамм Флеминга.
  5. К высадке союзных войск в Нормандии в июне 1944 года американские фармацевтические заводы наладили производство миллиардов единиц пенициллина в огромных ферментерах с кукурузным экстрактом.

Бактериальный ответ и гонка вооружений

Массовое применение пенициллина полностью изменило структуру мировой медицины. Средняя продолжительность жизни выросла более чем на десять лет, смертность от бактериальной пневмонии упала с сорока процентов до нуля, врачи научились надежно лечить сифилис, менингит и раневую инфекцию. За это фундаментальное достижение Флеминг, Флори и Чейн получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1945 году.

Уже в первые годы использования антибиотика бактерии начали приспосабливаться. В результате естественного отбора распространились штаммы, несущие гены ферментов пенициллиназ и бета-лактамаз. Эти молекулярные ножницы раскрывают бета-лактамное кольцо антибиотика до того, как оно доберется до клеточной стенки, полностью нейтрализуя угрозу. Чтобы справиться с мутантами, фармацевты создали полусинтетические модификации (оксациллин, ампициллин) и добавили в препараты ингибиторы ферментов вроде клавулановой кислоты.

Частые вопросы

Почему пенициллин безвреден для клеток человека?

Клетки человеческого тела принципиально отличаются от бактериальных. У нас нет внешней стенки из пептидогликана, мембрана состоит из двойного слоя липидов. Поскольку мишень для пенициллина в организме человека отсутствует, вещество обладает поразительно низкой токсичностью для наших тканей.

Можно ли приложить плесневелый хлеб к ране для обеззараживания?

Это категорически запрещено. На бытовых продуктах чаще всего размножаются грибы родов Mucor, Rhizopus или Aspergillus. Они не вырабатывают нужного лекарства, но выделяют токсичные алкалоиды и споры, которые при попадании в открытую рану способны вызвать некроз, тяжелый сепсис и микоз.

Почему Флеминг сам не довел лекарство до аптек?

Флеминг был врачом и микробиологом, а не химиком-технологом. Неочищенный бульон с пенициллином быстро окислялся и терял терапевтические свойства за считанные часы, а оборудования для тонкой хроматографии и лиофильной сушки в его распоряжении не было.

Против каких микробов пенициллин работает лучше всего?

Препарат максимально активен в отношении грамположительных микроорганизмов, у которых толстый муреиновый слой расположен снаружи. Грамотрицательные бактерии вроде кишечной палочки защищены дополнительной внешней мембраной, которая мешает классическому пенициллину проникнуть внутрь.