Бактерии через 70 поколений

Когда 70 лет назад появились первые антибиотики, их часто называли чудом человеческой мысли, подобно пластику или ярким стойким красителям, открытым примерно в то же время. Они казались нашим изобретением, а не случайным даром эволюции, который эволюция же может и отобрать.

Так и произошло. Сначала у бактериальных популяций наблюдался лишь низкий уровень устойчивости к антибиотикам. Но вскоре микроорганизмы начали проявлять резистентность к каждому новому препарату в течение нескольких лет после его появления. Сегодня, когда учёные ищут замену истощающемуся арсеналу антибиотиков, они постоянно помнят об эволюции.

В связи с провалом в разработке обычных антибиотиков, учёные исследуют бактерицидный потенциал других классов соединений. Обычно их изначально позиционируют как менее склонные вызывать резистентность.

Но так ли это?

Одна из групп соединений, снова привлекающих внимание, — бактериоцины, мощные антимикробные пептиды (фрагменты белков), которые бактерии выделяют для уничтожения близкородственных бактерий. Их изучал Р. Фредерик Инглис во время докторских исследований в лаборатории Ангуса Баклинга в Оксфордском университете (Великобритания).

«Когда люди снова начали предлагать бактериоцины в качестве новых терапевтических средств, мы задумались, может ли к ним развиться устойчивость», — сказал Инглис, ныне научный сотрудник Вашингтонского университета в Сент-Луисе.

Чтобы выяснить это, он и его коллеги провели «эволюционный эксперимент», выращивая штамм бактерий, чувствительных к бактериоцину, в присутствии штамма, который этот бактериоцин производит, но сам к нему невосприимчив. Регулярно пересевая бактерии на свежую питательную среду, они смогли проследить за ними примерно на протяжении 70 поколений.

Результаты, опубликованные 26 февраля в онлайн-версии журнала ISME Journal, показали, что устойчивость к этому бактериоцину возможна, но штаммы, которые её приобрели, стали слабее.

Инглис объясняет это тем, что бактериоцин нацелен на рецептор на поверхности клетки бактерии, который важен для её выживания. Это снижает вероятность развития резистентности — или, по крайней мере, делает её эволюционно «дорогой» во многих природных условиях.

Поскольку бактериоцины специфичны к определённым штаммам бактерий, они не заменят антибиотики широкого спектра, но могут быть использованы для борьбы с полирезистентными или высоковирулентными штаммами.

Железо как ключевой фактор

В эксперименте использовали бактерию Pseudomonas aeruginosa — типичный полирезистентный патоген, служащий модельным организмом в лаборатории Баклинга. Большинство P. aeruginosa производят бактериоцины под названием пиоцины, обычно несколько типов. Штамм в этом эксперименте производил три, включая S-тип пиоцина, который убивает, разрушая ДНК.

Учёные знали, что этот пиоцин проникает в бактерии через рецепторы сидерофоров. Сидерофоры — это небольшие молекулы, которые бактерии выделяют для поиска и транспорта железа, жизненно необходимого элемента. В организме человека железо труднодоступно, поэтому бактерии активно производят эти рецепторы в условиях его дефицита.

Инглис и его коллеги провели два набора экспериментов: в среде, богатой железом, и в среде с его ограничением.

• При избытке железа бактериям не нужно было производить рецепторы сидерофоров, и устойчивость к пиоцину развивалась легко и часто.
• При дефиците железа бактерии были вынуждены экспрессировать рецепторы, чтобы выжить. Устойчивость развивалась редко, а если и возникала, то такие резистентные бактерии росли очень медленно. То есть устойчивость была «дорогой» в этой среде.

Бактерии, развившие устойчивость в богатой железом среде, плохо росли при его ограничении. Это важно, потому что в организме человека (где концентрация железа крайне низка — примерно один атом на 1,6 литра крови) изначально чувствительным P. aeruginosa может быть трудно развить устойчивость, а резистентные штаммы могут расти так медленно, что иммунная система сможет их уничтожить.

Новый взгляд на бактерии

Эксперимент с устойчивостью к пиоцинам — часть более широкого переосмысления бактерий не только как угрозы здоровью, но и как самостоятельных организмов с собственной экологией и эволюционной историей.

Раньше господствовало мнение, что почвенные бактерии производят антибиотики для конкурентной борьбы. Однако, наученные горьким опытом устойчивости, учёные не уверены, что это предположение полностью верно, отчасти потому, что концентрации антибиотиков в природных средах часто не обнаружимы.

• Некоторые предполагают, что антибиотики — это межклеточные сигнальные молекулы, а резистентность (инактивация) нужна, чтобы «выключить» сигнал.
• Другие, включая Гаутама Дантаса из Вашингтонского университета, предполагают, что антибиотики могут служить бактериям источником углерода и азота, а «резистентность» — это просто переваривание.
• Сам Инглис выдвинул интригующую идею: возможно, бактериоцины существуют не для помощи бактериям, а для обеспечения собственного выживания как «эгоистичные» генетические элементы.

Устойчивость к антибиотикам выглядит совершенно иначе с бактериальной точки зрения, чем с нашей.

В чём разница между антибиотиками и бактериоцинами?

Классический ответ, по словам биолога Р. Фредерика Инглиса, заключается в спектре действия: антибиотики убивают широкий спектр бактерий, а бактериоцины — узкоспецифичные агенты, подавляющие рост только близкородственных штаммов.

• Производство антибиотиков не очень распространено среди бактерий. Препараты были получены менее чем от 100 видов, и почти 50% из них — от одного рода Streptomyces.
• В отличие от них, 99,9% бактерий производят бактериоцины.

Но Инглис отмечает, что оба термина — исторические артефакты, которые не определяют класс соединений или его естественную функцию, а лишь применение.

«"Бактериоцин" — это общий термин, описывающий функционально и структурно разные вещи. Одни проделывают дыры в клеточной мембране, другие разрушают ДНК. У них совершенно разное эволюционное происхождение. Это не одно и то же, но они убивают бактерии, поэтому мы называем их бактериоцинами».