Ученые раскрыли секрет устойчивости бактерий к антибиотикам
Исследователи создали компьютерную модель взаимодействия разных бактерий между собой и со стенкой кишечника. Это позволило объяснить, как развиваются и распространяются устойчивые к антибиотикам микробы. Детали исследования опубликованы в журнале PLOS ONE.
Микробиом кишечника человека содержит триллионы бактерий, которые защищают от вредных микроорганизмов, производят пищеварительные ферменты и поддерживают иммунную систему. Многие заболевания связаны с изменением микробиома. Ученые смоделировали взаимодействие двух типов бактерий с кишечником и изучили последствия антибиотикотерапии.
"В нашем исследовании мы использовали простой метод моделирования — агентное моделирование (Agent Based Modelling, ABM) — чтобы воссоздать процессы с участием бактерий в кишечнике и объяснить некоторые интересные эффекты при возникновении резистентности", — сказал Дмитрий Алексеев, заместитель руководителя Лаборатории системной биологии МФТИ.
Модель позволила изучить:
- Скорость восстановления численности бактерий после терапии.
- Долю бактерий, не затронутых антибиотиками.
- Процесс обратной связи между бактериями и кишечной стенкой.
Ключевым элементом модели стали вещества, производимые бактериями и стенками кишечника. Эти соединения, образующиеся при ферментации углеводов, могут быть одновременно токсичными для одного типа бактерий и "пищей" для другого. Стенка кишечника также может производить как вредные для бактерий соединения, так и питательные углеводы.
Визуализация модели показала, что пространственная структура является ключевым фактором, помогающим бактериям выживать и адаптироваться.
Важный вывод модели: даже после антибиотикотерапии бактерий, чувствительных к антибиотику, может остаться больше, чем устойчивых. Это объясняется "ценой" устойчивости: изменяя свои биохимические свойства или тратя ресурсы на нейтрализацию препарата, бактерии теряют в эффективности — медленнее потребляют пищу и делятся.
Преимущество устойчивых штаммов проявляется в регионах, доминируемых одним типом бактерий, где "медленные, но устойчивые" штаммы подавляют конкурентов. Обратные связи и производство/поглощение веществ стенкой кишечника также влияют на соотношение устойчивых и чувствительных бактерий: чем больше механизмов обратной связи, тем медленнее сокращается число чувствительных бактерий, а устойчивые штаммы погибают быстрее.
Дальнейшие исследования в этой области помогут понять фундаментальные причины возникновения устойчивости и разработать целевые препараты.
Биофизика и системный подход
К работе привлекли математиков, так как задача требовала экспертизы в теории графов. Сложные сети, активно используемые в исследовании, встречаются повсюду: в социальных сетях, интернете, экономике и биологии.