Гены, разрушающие антибиотики, широко распространены у бактерий в почве и у людей

Новейшее поколение тетрациклинов — мощных антибиотиков первого выбора — было разработано, чтобы преодолеть два самых распространенных механизма устойчивости бактерий к этим препаратам. Однако новое исследование ученых из Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Национальных институтов здоровья (NIH) показало, что гены, представляющие еще один метод резистентности, широко распространены у бактерий, обитающих в почве и у людей. Некоторые из этих генов обеспечивают способность разрушать все тетрациклины, включая их последнее поколение.

Тем не менее, исследователи создали химическое соединение, которое защищает тетрациклины от разрушения. Когда это соединение использовали в комбинации с тетрациклинами в ходе исследования, летальное действие антибиотиков было восстановлено.

Результаты, опубликованные в Communications Biology, указывают на зарождающуюся угрозу для одного из самых широко используемых классов антибиотиков, но также и на перспективный способ защиты от этой угрозы.

«Мы впервые обнаружили гены, разрушающие тетрациклин, пять лет назад у безвредных почвенных бактерий и тогда же сказали, что существует риск попадания этих генов в болезнетворные бактерии, что приведет к инфекциям, которые будет очень трудно лечить», — сказал соавтор Гаутам Дантас. «Как только мы начали искать эти гены в клинических образцах, мы сразу же их нашли. Тот факт, что мы смогли найти их так быстро, говорит мне, что эти гены более распространены, чем мы думали. Это уже не теоретический риск, что это станет проблемой в клинике. Это уже проблема».

В 2015 году Дантас и Тимоти Венсевич обнаружили 10 различных генов, каждый из которых давал бактериям способность расщеплять токсичную часть молекулы тетрациклина, тем самым инактивируя препарат. Эти гены кодируют белки, названные исследователями тетрациклин-деструктазами.

Чтобы выяснить, насколько такие гены распространены, Дантас и первый автор Эндрю Гаспаррини проанализировали 53 образца почвы, 176 образцов человеческого стула, два образца фекалий животных и 13 образцов из уборных на наличие генов, сходных с 10 уже найденными. В результате было обнаружено еще 69 потенциальных генов тетрациклин-деструктаз.

Затем они клонировали некоторые из этих генов в бактерии E. coli, не имеющие устойчивости к тетрациклинам, и проверили, выживут ли генетически модифицированные бактерии при воздействии препаратов. E. coli, получившие предполагаемые гены деструктаз от почвенных бактерий, инактивировали некоторые тетрациклины. E. coli, получившие гены от бактерий, ассоциированных с человеком, разрушали все 11 тетрациклинов.

«Самое страшное, что одна из тетрациклин-деструктаз, которую мы нашли у бактерий, ассоциированных с человеком — Tet(X7), — возможно, эволюционировала от предковой деструктазы почвенных бактерий, но имеет более широкий спектр и повышенную эффективность», — сказал Венсевич. «Обычно существует компромисс между широтой спектра фермента и его эффективностью. Но Tet(X7) умудряется быть широким и эффективным, и это потенциально смертельная комбинация».

В первом скрининге исследователи обнаружили гены тетрациклин-деструктаз только у бактерий, не известных как возбудители болезней человека. Чтобы выяснить, есть ли такие гены у патогенных видов, ученые просканировали генетические последовательности клинических образцов, собранных Дантасом за годы. Они обнаружили Tet(X7) у бактерии, вызвавшей инфекцию легких и отправившей мужчину в реанимацию в Пакистане в 2016 году.

Тетрациклины существуют с 1940-х годов. Это один из наиболее широко используемых классов антибиотиков, применяемых при заболеваниях от пневмонии до кожных или мочеполовых инфекций и язвы желудка, а также в сельском хозяйстве и аквакультуре. В последние десятилетия растущая антибиотикорезистентность заставила фармацевтические компании потратить сотни миллионов долларов на разработку нового поколения тетрациклинов, невосприимчивых к двум самым распространенным стратегиям устойчивости: выведению препаратов из бактериальной клетки до того, как они нанесут вред, и укреплению уязвимых частей бактериальной клетки.

Появление третьего метода устойчивости к антибиотикам у болезнетворных бактерий может быть катастрофическим для общественного здравоохранения. Чтобы лучше понять, как работает Tet(X7), соавтор Нирадж Толиа и соавтор Хирдеш Кумар определили структуру этого белка.

«Я установил, что Tet(X7) очень похож на известные структуры, но гораздо более активен, и мы не совсем понимаем почему, поскольку часть, взаимодействующая с тетрациклиновыми кольцами, одинакова», — сказал Кумар. «Теперь я использую подход молекулярной динамики, чтобы увидеть белок в действии. Если мы поймем, почему он так эффективен, мы сможем разработать еще лучшие ингибиторы».

Венсевич и коллеги ранее разработали химическое соединение, которое сохраняет эффективность тетрациклинов, предотвращая их расщепление деструктазами. В последнем исследовании соавтор Джанна Л. Маркли оценила этот ингибитор против бактерии от пациента из Пакистана и ее мощной деструктазы Tet(X7). Добавление соединения сделало бактерии в 2–4 раза более чувствительными ко всем трем антибиотикам последнего поколения тетрациклинов.

«У нашей команды есть девиз, расширяющий мудрые слова Бенджамина Франклина: "В этом мире нельзя быть уверенным ни в чем, кроме смерти, налогов и устойчивости к антибиотикам"», — сказал Венсевич. «Устойчивость к антибиотикам будет возникать. Нам нужно опередить ее и разработать ингибиторы сейчас, чтобы защитить наши антибиотики, потому что если мы будем ждать, пока это станет кризисом, будет слишком поздно».