Учёные раскрыли неизвестные этапы синтеза пенициллина

Как природа создаёт пенициллин: учёные впервые увидели два ключевых этапа синтеза антибиотика

Почему четыре атома определяют действие целого класса антибиотиков

Пенициллин применяется в медицине более 80 лет. За это время были созданы многочисленные препараты, использующие тот же принцип воздействия на бактерии, включая амоксициллин, ампициллин и другие бета-лактамные антибиотики.

Их объединяет особый структурный элемент молекулы — бета-лактамное кольцо.

Это четырёхчленное кольцо, состоящее из трёх атомов углерода и одного атома азота. Из-за особенностей геометрии химические связи внутри него находятся в напряжённом состоянии, что определяет характерную реакционную способность бета-лактамных антибиотиков.

Бактериям необходима прочная клеточная стенка, которая защищает их от механических воздействий и перепадов осмотического давления. Основу этой стенки составляет пептидогликан — сложная сеть из соединённых между собой молекулярных цепочек.

На завершающих этапах её построения работают специальные бактериальные ферменты, называемые пенициллинсвязывающими белками.

Бета-лактамные антибиотики взаимодействуют с этими ферментами и блокируют образование необходимых поперечных связей пептидогликана. В результате клеточная стенка теряет прочность, что может приводить к гибели бактерий.

Таким образом, небольшая химическая структура лежит в основе действия одного из важнейших классов противомикробных препаратов.

Однако десятилетиями оставался открытым другой вопрос: каким образом живые организмы способны создавать столь необычное и энергетически напряжённое кольцо?

Фермент IPNS собирает сложную структуру из трёх аминокислот

В природе пенициллины синтезируются определёнными видами микроскопических грибов.

На одном из важнейших этапов этого процесса работает фермент изопенициллин-N-синтаза, обозначаемый IPNS.

Его исходное сырьё — короткая цепочка из трёх аминокислот, известная как ACV.

Она включает производное альфа-аминоадипиновой кислоты, цистеин и валин.

Первоначально ACV представляет собой относительно простую линейную молекулу. Чтобы превратить её в основу пенициллина, необходимо сформировать два соединённых между собой кольца.

Первое — четырёхчленное бета-лактамное.

Второе — пятичленное тиазолидиновое кольцо, содержащее атом серы.

Выполнение обеих реакций требует исключительно точного расположения атомов и управления химическими превращениями.

Фермент IPNS осуществляет этот процесс с участием молекулярного кислорода и иона двухвалентного железа, расположенного в его активном центре — участке белка, где происходит химическая реакция.

Продуктом становится изопенициллин N — первый представитель пенициллинов, возникающий на этом этапе биосинтеза.

Впоследствии другие ферменты могут превращать его в различные природные антибиотики.

Промышленное производство многих современных пенициллинов дополнительно использует химическую модификацию полученных биологическим путём соединений.

Поэтому понимание работы IPNS важно не только для фундаментальной биохимии, но и для поиска новых способов получения антибиотических молекул.

Два промежуточных состояния изменили представление о механизме синтеза пенициллина

Исследователи уже достаточно хорошо представляли начальную и конечную структуры реакции, катализируемой IPNS.

Проблема заключалась в промежуточных состояниях.

Они существуют настолько непродолжительное время, что обычные методы структурного анализа не позволяли непосредственно установить их атомное строение.

Авторы нового исследования смогли наблюдать две особенно важные формы.

Первая представляет собой тиоальдегидное промежуточное соединение.

Оно возникает после окисления цистеинового фрагмента исходной молекулы ACV, непосредственно перед формированием бета-лактамного кольца.

Неожиданным оказалось поведение серы.

В исходном комплексе атом серы связан с железом активного центра фермента. Однако обнаруженная тиоальдегидная структура показывает, что на определённом этапе эта связь временно разрывается.

Это существенно уточняет прежние представления о том, как железо удерживает реагирующую молекулу и управляет её превращением.

Вторая обнаруженная структура — моноциклический бета-лактам.

В ней первое четырёхчленное кольцо уже сформировано, но второе, пятичленное, ещё отсутствует.

Именно существование такого промежуточного состояния предполагалось в более ранних моделях механизма IPNS. Теперь исследователи получили его структурное подтверждение.

При образовании моноциклического бета-лактама связь между серой и железом восстанавливается.

Получается последовательность, которую раньше невозможно было непосредственно проследить:

• исходный линейный трипептид ACV связывается с активным центром IPNS;
• кислород запускает окислительные превращения;
• возникает тиоальдегидное промежуточное соединение, временно не связанное через серу с железом;
• формируется первое, бета-лактамное кольцо, а связь серы с железом восстанавливается;
• последующее превращение приводит к образованию второго кольца и изопенициллина N.

Движущаяся лента и рентгеновский лазер позволили увидеть химическую реакцию во времени

Чтобы исследовать столь быстрые процессы, международная группа применила метод рентгеновской кристаллографии с временным разрешением.

В обычной кристаллографии исследователи получают изображения молекулярных структур, анализируя рассеяние рентгеновского излучения кристаллами вещества.

Такая технология позволяет установить расположение атомов, но часто показывает лишь отдельные устойчивые состояния молекулы.

Для наблюдения химической реакции необходимо точно определить момент её начала и получить последовательность изображений через известные промежутки времени.

Оксфордские исследователи и их коллеги разработали специальную экспериментальную систему.

Тысячи микроскопических капель с кристаллами комплекса IPNS, железа и ACV наносились на движущуюся ленту шириной около двух миллиметров.

Первоначально образцы находились в условиях отсутствия кислорода, поэтому реакция не начиналась.

Затем лента проходила через камеру, заполненную кислородом.

Кислород проникал внутрь микрокристаллов и запускал биохимическую реакцию.

Изменяя скорость движения ленты, учёные регулировали время между началом реакции и попаданием образца под рентгеновский импульс.

Для регистрации структуры использовались рентгеновские лазеры на свободных электронах — установки, генерирующие чрезвычайно интенсивные и короткие импульсы излучения.

Каждый импульс позволял получить информацию об атомной структуре отдельного микрокристалла в определённый момент реакции.

Тысячи таких измерений объединялись в последовательность, которую исследователи сравнивают с молекулярным фильмом.

Важно понимать, что речь не идёт о видеозаписи одной непрерывно изменяющейся молекулы.

Учёные реконструировали ход реакции из множества структурных изображений разных образцов, исследованных через строго определённые интервалы времени.

Также эксперимент проводился не непосредственно внутри живых клеток, а на выделенном ферменте в микрокристаллах. При этом реакцию удалось изучать при температуре и давлении, близких к физиологическим условиям.

В работе использовались установки и исследовательские центры Великобритании, США, Японии и Республики Корея.

Структурные измерения дополнялись рентгеновской эмиссионной спектроскопией, биохимическими экспериментами, химическим синтезом и компьютерным моделированием.

Такое сочетание методов позволило не только увидеть промежуточные структуры, но и проверить предложенный механизм их образования.

Молекулы воды оказались активными участниками образования антибиотика

Одним из наиболее интересных результатов исследования стала роль воды внутри фермента IPNS.

Обычно при описании ферментативных реакций основное внимание уделяют реагирующим молекулам, каталитическим атомам металлов и аминокислотным остаткам белка.

Вода часто рассматривается как среда, в которой протекает химический процесс.

Однако в данном случае отдельные молекулы воды оказались частью механизма, управляющего реакцией.

Исследователи обнаружили организованную систему водородных связей, включающую несколько молекул воды вблизи железосодержащего активного центра.

Эта система помогает передавать протоны — положительно заряженные ядра атомов водорода — между участниками реакции.

Такая передача необходима для последовательных химических превращений, включая процессы, связанные с активацией кислорода и образованием бета-лактамного кольца.

Важную роль играет и состояние самого железа.

Совокупность структурных, спектроскопических и расчётных данных поддерживает механизм с участием высокореакционной формы железа Fe(IV), возникающей в ходе каталитического цикла.

При этом не все отдельные перемещения протонов наблюдались непосредственно: часть детального механизма установлена путём сопоставления экспериментальных результатов с расчётными моделями.

Чтобы проверить значение водной сети, авторы изменяли отдельные аминокислотные остатки фермента, влияющие на расположение молекул воды.

Такие изменения нарушали нормальное протекание реакции и могли препятствовать образованию изопенициллина N.

Это показало, что эффективность фермента зависит не только от непосредственного взаимодействия железа с исходной молекулой ACV.

Значение имеют также более удалённые участки белка, определяющие его пространственную структуру и расположение воды.

Полученные результаты позволяют рассматривать IPNS как сложную динамическую систему, в которой химическое превращение регулируется согласованным движением различных молекулярных компонентов.

Может ли открытие помочь преодолеть устойчивость бактерий к антибиотикам?

Исследование приобретает особое значение на фоне распространения антибиотикорезистентности — способности бактерий выживать при воздействии лекарств, которые раньше подавляли их размножение.

Согласно докладу Всемирной организации здравоохранения, опубликованному в октябре 2025 года, примерно каждая шестая лабораторно подтверждённая бактериальная инфекция из рассмотренных категорий в 2023 году была связана с устойчивостью к исследованным антибиотикам.

В период с 2018 по 2023 год рост резистентности наблюдался более чем в 40% отслеживаемых сочетаний бактериальных возбудителей и антибиотиков.

Для бета-лактамных препаратов устойчивость представляет особую проблему.

Некоторые бактерии производят ферменты бета-лактамазы, способные разрушать характерное кольцо антибиотика.

Другие изменяют белки, с которыми должен взаимодействовать препарат, либо ограничивают его проникновение внутрь бактериальной клетки.

Поэтому создание новых бета-лактамных антибиотиков требует не только сохранения антибактериальной активности, но и преодоления конкретных механизмов устойчивости.

Лучшее понимание того, как природные ферменты формируют бета-лактамное кольцо, потенциально позволяет искать новые способы изменения структуры антибиотиков.

В частности, исследователи могут попытаться модифицировать ферменты биосинтеза таким образом, чтобы они работали с другими исходными молекулами или создавали новые варианты антибиотического каркаса.

Однако между пониманием ферментативной реакции и получением эффективного лекарства существует значительная дистанция.

Пока не показано, что результаты исследования позволяют производить какой-либо конкретный антибиотик быстрее, дешевле или с более высокой эффективностью.

Также не создан новый препарат, способный преодолевать устойчивость бактерий, непосредственно на основании полученных структурных данных.

Эти возможности остаются направлениями дальнейших исследований.

Новые знания об IPNS могут изменить подходы к созданию ферментов

Практическая ценность открытия не ограничивается биосинтезом пенициллина.

IPNS относится к обширному семейству железозависимых ферментов, использующих кислород для проведения сложных химических превращений.

Родственные ферментные системы участвуют в различных биологических процессах, в том числе в механизмах, позволяющих клеткам человека реагировать на изменения доступности кислорода.

Поэтому обнаруженные закономерности могут оказаться полезными для понимания работы других ферментов.

Особенно интересен общий принцип управления высокореакционными химическими промежуточными соединениями.

Фермент способен создавать нестабильные молекулярные структуры и направлять их превращение в нужный продукт, не допуская преобладания побочных реакций.

Для промышленной биотехнологии это одна из центральных задач.

Если исследователи научатся целенаправленно изменять подобные системы, появится возможность создавать биологические катализаторы для реакций, которые трудно осуществлять традиционными методами органической химии.

Потенциальные применения включают разработку новых путей синтеза лекарственных веществ и более эффективных биокаталитических процессов.

Но для этого необходимо установить, насколько обнаруженные механизмы можно использовать за пределами естественного фермента и его обычного субстрата.

Следующим этапом станут эксперименты с изменёнными вариантами IPNS, новыми исходными соединениями и другими представителями семейства железозависимых ферментов.

Предстоит выяснить, какие элементы механизма можно модифицировать без потери каталитической активности и насколько такие изменения позволяют управлять структурой конечного продукта.