пресс-центр

GPU помогают бороться с бактериями, резистентными к антибиотикам

Когда работники здравоохранения используют для описания проблемы такие слова, как «кошмар» и «апокалипсис», возможно, пора обратить на эту проблему внимание.

Сейчас ведется война с бактериями, устойчивыми к антибиотикам, и мы проигрываем. Антибиотики, которые спасли миллионы жизней в прошлом веке, все более бессильны против растущего числа супербактерий, которые эволюционировали, чтобы выжить под нашим фармакологическим натиском.

В настоящее время наблюдается острая нехватка антибиотиков для лечения того, что Центр по контролю и профилактике заболеваний в США называет «кошмарной бактерией» (nightmare bacteria). Это привело к тому, что некоторые врачи, включая главного медицинского советника Великобритании, предупреждают о возможности постантибиотического «апокалипсиса», когда обычные инфекции, хирургические операции, туберкулез и даже простой порез могут стать смертельным приговором.

Однако новая статья в журнале «Science»  вселяет некоторую надежду. В ходе лабораторных экспериментов на GPU-ускоренных суперкомпьютерах исследователи выяснили, почему бактерия стафилококк, которая является одной из основных причин инфекций, с таким трудом поддается лечению. Их работа могла бы указать путь к новым методам борьбы с пока что непобедимыми бактериями.

methicillin-resistant Staph bacteria
Метициллин-резистентный стафилококк (фиолетового цвета). Изображение предоставлено Национальным институтом здоровья США.

Сильнее, чем суперклей

Ученые из Института Бекмана при Иллинойском университете и Мюнхенского университета исследовали тип стафилококковой инфекции, известный как метициллин-резистентный золотистый стафилококк (MRSA), который не чувствителен к антибиотикам, стандартно применяемым для лечения. Без лечения он может привести к сепсису и даже смерти.

Исследователи обнаружили механизм, который заставляет MRSA так крепко цепляться за клетки человека: водородные связи, расположенные по спирали, работают как суперклей, прикрепляя молекулы белка бактерии к человеческим. Затем они попытались разделить эти молекулы, проверяя прочность этих связей.

«Бактерии так крепко «приклеены» к человеку, что их невозможно отсоединить, - рассказал Рафаэль Бернарди (Rafael Bernardi), исследователь из Института Бекмана. - Разорвать одну водородную связь легко. Трудность в том, чтобы разорвать их сразу все».

Крепкая связь

Стафилококковые инфекции часто встречаются в больницах и домах престарелых, где пациенты уже больны или ослаблены. Медицинские имплантаты, например, для замены тазобедренного сустава, или кардиостимуляторы также представляют собой риск, потому что бактерии обычно прилипают к их поверхностям.

Исследователи использовали два метода, чтобы выяснить, почему MRSA так сложно победить. Команда из Мюнхенского университета пыталась на атомно-силовых микроскопах высокого разрешения физически отделить молекулы бактерий от человеческих. Ученые из Института Бекмана при Исслинойском университете попытались сделать то же самое, запустив 2400 симуляций методом молекулярной динамики на суперкомпьютере Blue Waters на базе GPU.

Результаты оказались идентичными: оба исследования показали, что именно суперсильные водородные связи являются причиной неуязвимости MRSA для лекарств.

«Обычно результаты, получаемые двумя способами, имеют много общего, но в данном случае это было что-то невероятное, - рассказал Бернарди. - Моделирование позволило нам ежесекундно отслеживать каждую молекулу, и результат получился намного более детализированным, чем при работе с микроскопом».

An illustration of the hydrogen bonds (in purple) that attach the bacterial protein (blue and green) to the human protein (orange). These bonds are the mechanism that makes some Staph infections and other antibiotic-resistant bugs so hard to treat. Image courtesy of Rafael Bernardi, Beckman Institute.
Иллюстрация водородных связей (фиолетовый), которые прикрепляют белок бактерии (синий и зеленый) к белку человека (оранжевый). Эти связи и являются тем механизмом, который делает лечение стафилококковых инфекций и других бактерий, резистентных к антибиотикам, настолько сложным. Изображение предоставил Рафаэль Бернарди (Rafael Bernardi) из Института Бекмана.

Новые возможные методы лечения

Бернарди проводил свой эксперимент только на GPU-узлах Blue Waters, используя CUDA-ускоренный пакет молекулярной динамики и ПО для визуализации. Без GPU, по его словам, он бы не смог провести столько симуляций и добиться такого точного результата.

«Я искренне надеюсь, что люди смогут использовать то, что мы узнали, для разработки новых стратегий лечения стафилококковых инфекций», - заявил он. К примеру, фармацевтические компании могли бы разработать лекарство, способное блокировать или ослаблять образование связей.

На верхнем изображении показано начало развития бактериальной инфекции. Снизу молекулы человеческого белка покрывают поверхность медицинского имплантата. Разноцветные палочки – это бактерии, вызывающие инфекцию. Прозрачная структура под расположенными в центре бактериями представляет собой белок, который прикрепляет бактерии к поверхности имплантата. Изображение предоставил Центр макромолекулярного моделирования и биоинформатики при национальном институте здоровья США.