Кишечные бактерии используют суперполимеры для уклонения от антибиотиков

Кишечные бактерии обмениваются ДНК, обеспечивающей устойчивость к лекарствам, и формируют инфекционные биоплёнки легче, чем предполагалось.

Открытие показывает, почему борьба с устойчивыми к антибиотикам бактериями может быть столь сложной, но также указывает на возможный путь решения проблемы. Суперполимерные структуры, которые бактерии используют для переноса генов, в будущем могут быть применены для точной доставки лекарств.

Кишечные бактерии формируют внеклеточные выросты, называемые F-пили, чтобы соединяться друг с другом и передавать пакеты ДНК (гены), обеспечивающие устойчивость к антибиотикам. Считалось, что суровые условия внутри кишечника человека и животных, включая турбулентность, тепло и кислоты, разрушают F-пили, затрудняя перенос.

Однако новое исследование команды под руководством учёных из Imperial College London показало, что в этих условиях F-пили на самом деле становятся прочнее. Это помогает бактериям эффективнее передавать гены устойчивости и объединяться в «биоплёнки» — защитные бактериальные сообщества, которые помогают им противостоять антибиотикам.

Результаты опубликованы в Nature Communications.

Джонаш Патковски, первый автор статьи из Департамента наук о жизни Imperial, заявил: «Ожидается, что к 2050 году смертность от устойчивости к противомикробным препаратам сравняется со смертностью от рака, а это значит, что нам срочно нужны новые стратегии борьбы с этой тенденцией. Значительная часть распространения резистентности обусловлена обменом генами между бактериями, поэтому детальное понимание этого процесса может привести к новым способам его прерывания».

Не такие уж хрупкие

Разные классы бактерий используют разные типы пилей для переноса генов в процессе, называемом конъюгацией. Классический эксперимент, казалось, показал, что этот процесс хрупок и может быть прерван встряхиванием. Это оставляло загадку: почему так много бактерий, живущих в суровых условиях, таких как кишечник, используют эти системы, если они столь хрупки?

Команда решила проверить это предположение. Встряхивая бактерии E. coli во время использования ими F-пилей в процессе конъюгации, они обнаружили, что agitation (встряхивание) на самом деле повышает эффективность переноса генов между бактериями. Они также наблюдали, что после переноса генов конъюгированные бактерии во встряхиваемых условиях легче сбивались в комки, образуя биоплёнки, которые защищают внутренние бактерии от молекул антибиотиков в окружающей среде.

Чтобы определить, как F-пили способны на это, команда провела тест на прочность, закрепив бактерию на предметном столике, присоединив стеклянную бусину с помощью «молекулярного пинцета» к концу одного из её F-пилей и потянув. F-пили оказались высокоэластичными, обладая пружинными свойствами, которые предотвращали их разрыв.

Они также проверили способность F-пили выдерживать другие распространённые условия кишечника, подвергнув их воздействию гидроксида натрия, мочевины и чрезмерно высоких температур в 100°C — со всем этим F-пили справились.

Молекулярные свойства

Затем команда сделала шаг дальше, изучив F-пили на молекулярном уровне, чтобы понять, что придаёт им эти невероятные свойства. Они в основном состоят из субъединиц «F-пилина» со связанными между собой молекулами фосфолипидов.

Смоделировав F-пили без фосфолипидов, команда показала, насколько важны эти молекулы для упругости и эластичной прочности структуры. Повторение эксперимента с вытягиванием показало, что без поддержки фосфолипидов субъединицы быстро разбираются, что доказывает их новую роль в качестве «молекулярного клея» в длинных биополимерах.

Доктор Тьяго Коста, ведущий исследователь из Департамента наук о жизни Imperial, сказал: «Создание F-пили очень затратно для бактерий с точки зрения ресурсов и энергии, поэтому неудивительно, что они того стоят. Мы показали, как F-пили ускоряют распространение устойчивости к антибиотикам и образование биоплёнок в турбулентных средах, но теперь задача состоит в том, чтобы найти способы противостоять этому очень эффективному процессу».

Хотя было бы выгодно разрушать F-пили у патогенных бактерий, их свойства могли бы быть полезны, если бы мы смогли сконструировать их для использования, например, в доставке лекарств. Патковски пояснил: «Трудно найти трубчатый вырост с такими прочными свойствами. Бактерии используют его для переноса генов, но если бы мы могли имитировать эти свойства, то могли бы использовать аналогичные структуры для точной доставки лекарств туда, где они нужны в организме».