Штаммы E. coli, устойчивые к одному антибиотику, могут защищать другие бактерии поблизости

Новое исследование MIT показало, что два штамма бактерий, каждый из которых устойчив к одному антибиотику, могут защищать друг друга в среде, содержащей оба препарата.

Результаты демонстрируют, что мутуализм — явление, при котором разные виды извлекают пользу из взаимодействия друг с другом, — может помогать бактериям формировать устойчивые к лекарствам сообщества. Это первая экспериментальная демонстрация у микробов типа мутуализма, известного как перекрёстная защита, который чаще наблюдается у более крупных животных.

Исследователи сосредоточились на двух штаммах E. coli: один устойчив к ампициллину, а другой — к хлорамфениколу. Эти и многие другие бактерии защищаются от антибиотиков, производя ферменты, которые их расщепляют. Как побочный эффект, это также защищает клетки, не производящие эти ферменты, путём удаления антибиотика из окружающей среды.

«Всякий раз, когда вы расщепляете антибиотик, существует потенциал для перекрёстной защиты», — говорит Джефф Гор, старший автор исследования, опубликованного в Proceedings of the National Academy of Sciences на неделе 16 мая.

Команда MIT обнаружила, что оба штамма действительно могут выживать в среде с обоими антибиотиками, хотя каждый был устойчив только к одному из препаратов. Такая ситуация, вероятно, встречается и в природе, особенно в почве, где сосуществует множество штаммов бактерий.

«Каждый из них производит разные токсины, и каждый устойчив к разным токсинам», — говорит Гор. «Многие антибиотики производятся микробами как часть борьбы, происходящей между микроорганизмами в почве».

Гор и его коллеги также обнаружили, что популяции двух штаммов со временем колеблются. Популяционные колебания характерны для взаимодействий «хищник-жертва», но редки для мутуалистических взаимодействий, таких как перекрёстная защита в этом исследовании.

На протяжении экспериментов исследователи ежедневно разбавляли бактериальную популяцию, перенося около 1% популяции в новую пробирку, куда добавлялись свежие антибиотики. Они обнаружили, что, хотя общий размер бактериальной популяции оставался примерно одинаковым, наблюдались значительные колебания относительной доли каждого штамма, которые менялись почти на 1000% в течение примерно трёх дней.

Например, если в начале цикла преобладал ампициллин-устойчивый штамм, он быстро деактивировал ампициллин в среде, позволяя хлорамфеникол-устойчивому штамму начать рост. Ампициллин-устойчивый штамм начинал расти только после того, как другой штамм достаточно размножился, чтобы деактивировать большую часть хлорамфеникола, и к этому моменту хлорамфеникол-устойчивый штамм уже превзошёл по численности ампициллин-устойчивый.

«Мутуализм проявляет колебания, потому что штамм, который был более многочисленным в начале цикла роста, может оказаться менее многочисленным в его конце», — объясняет Гор.

При более низких концентрациях антибиотиков бактериальная популяция может выживать в таком колеблющемся режиме неопределённо долго, но при более высоких концентрациях препаратов колебания дестабилизируют популяцию, и она в конечном итоге коллапсирует.

Гор предполагает, что подобные популяционные колебания могут также наблюдаться в естественных средах, таких как кишечник человека (по мере выхода бактерий с каловыми массами) или в почве (по мере вымывания бактерий дождём).

Лаборатория Гора сейчас изучает этот тип мутуализма у бактерий, живущих в кишечнике червя C. elegans. Исследователи также изучают, как такие популяционные колебания могут синхронизироваться на больших географических территориях и как миграция между популяциями влияет на эту синхронизацию.