Нехватка энергии лишает бактерии устойчивости к антибиотикам

Исследователи из Университета Райса «вылечили» штамм бактерий от способности сопротивляться антибиотику в эксперименте, важном для долговременного кризиса общественного здравоохранения.

Инженер-эколог Педро Альварес и его команда лишили микроорганизм Pseudomonas aeruginosa устойчивости к антибиотику тетрациклину, ограничив его доступ к пище и кислороду.

За 120 поколений голодающие бактерии выбрали сохранение ценной энергии вместо того, чтобы использовать её для поддержания плазмиды — небольшого и часто передаваемого элемента ДНК, — которая обеспечивает устойчивость к тетрациклину.

Результаты, опубликованные в журнале Американского химического общества Environmental Science and Technology, — часть долгосрочных усилий по пониманию экологических аспектов устойчивости к антибиотикам.

«Распространение устойчивости к антибиотикам воспринималось как медицинская или микробиологическая проблема. И это действительно серьёзная проблема. Но многие упускают, что это также проблема загрязнения окружающей среды. Многие устойчивые бактерии происходят из животноводства, где существует чрезмерное, неправильное и злоупотребление антибиотиками», — заявил Альварес.

По его мнению, предприятия по концентрированному кормлению животных (CAFO) являются потенциальными источниками загрязнения окружающей среды антибиотиками и связанными с ними генами устойчивости, которые попадают в почву, воду и, в конечном итоге, в пищевую цепь.

Эксперимент и результаты

Исследователи проверили гипотезу о том, что микробы стремятся сбросить неиспользуемые гены из-за метаболического бремени и высокой энергетической стоимости их поддержания. Эксперименты проводились на двух штаммах: P. aeruginosa (из почвы) и E. coli (получающей гены устойчивости напрямую от животных через фекалии).

Медленно лишая бактерии питательных веществ и/или кислорода в течение поколений, учёные обнаружили:

• В отсутствие тетрациклина оба микроба избавились от плазмиды устойчивости, хотя E. coli не полностью.
• P. aeruginosa полностью сбросила генетический элемент, ответственный за устойчивость, что сделало её вновь уязвимой для антибиотиков.
• При высоком уровне тетрациклина оба микроба сохранили устойчивость.

Практическое применение и стратегия

Проблема антибиотиков заключается в «селективном давлении»: если в среде присутствуют устойчивые бактерии, слабые погибнут, а устойчивые выживут и размножатся. Поэтому важно устранять плазмиды устойчивости у бактерий в окружающей среде как можно ближе к источнику.

Эксперименты указывают на возможные стратегии восстановления. «Если мы сможем установить анаэробный барьер в точке, где лагуна стекает в окружающую среду, мы создадим селективное давление для потери генов устойчивости и смягчим их распространение», — пояснил Альварес.

Такой барьер может быть простым и дешёвым, например, из мульчи в дренажном канале. «Мультяной барьер толщиной всего в метр может контактировать с медленно движущимися грунтовыми водами более месяца. Этого может быть недостаточно, чтобы убить бактерии, но достаточно, чтобы они почувствовали дефицит в получении энергии из окружающей среды и стресс, заставляющий сбросить гены устойчивости».

Контекст и философия

Альварес изучает эту проблему с 2004 года. Его исследование реки Хайхэ в Китае, опубликованное в прошлом году, показало, что гены устойчивости к тетрациклину широко распространены и там.

«Наша философия в инженерной экологии заключается в том, что унция профилактики стоит больше, чем фунт восстановления. Профилактика здесь — это, по сути, не дать этим генам распространиться. Остановите их до того, как они попадут в окружающую среду. И один из простых способов — установить анаэробный барьер», — заключил Альварес.