Эволюционная карта E. coli может привести к прецизионной медицине против устойчивости к антибиотикам

Первая в своем роде детальная эволюционная карта бактерий может проложить путь к разработке прецизионных методов лечения некоторых устойчивых к антибиотикам инфекций, например, инфекций мочевыводящих путей.

Исследователи из Института Сэнгера, Университета Осло, Арктического университета Норвегии (UiT) и их коллеги разработали новый способ использования данных крупномасштабного секвенирования длинных чтений для изучения кольцевых генетических структур — плазмид — в наиболее часто изучаемом микроорганизме Escherichia coli (E. coli). Это позволило команде отследить поток обмена генами, выявить некоторые барьеры, препятствующие этому, и проследить вспышки различных штаммов E. coli до конкретных плазмид, уходящих примерно на 300 лет назад.

Исследование, опубликованное в Nature Communications, также выявило плазмиду, обнаруженную в нескольких штаммах E. coli, которая позволяет им производить токсин для уничтожения других близкородственных бактерий. Это может помочь в разработке будущих методов терапии бактериальных инфекций.

Этот высокоразрешающий ресурс позволяет научному сообществу исследовать E. coli на ранее недоступном уровне, показывая, как плазмиды коэволюционируют со штаммами E. coli. Понимание и отслеживание того, какие плазмиды придают штаммам определенные свойства, может позволить нацеливаться на них напрямую. Это может минимизировать необходимость использования антибиотиков широкого спектра действия и, в свою очередь, снизить распространение устойчивых к лечению бактериальных инфекций.

Кроме того, исследователи предполагают, что если менее опасный для человека штамм может естественным образом вытеснить более опасный, его можно использовать для более комплексного управления здоровьем человека.

Бактерии часто конкурируют друг с другом за одну и ту же среду обитания — в случае E. coli это кишечник человека. Большинство штаммов E. coli безвредны. Однако если бактерия попадает в кровоток из-за ослабленного иммунитета, это может вызвать инфекцию — от легкой до угрожающей жизни.

Хотя часто кажется, что борьба ведется с человеком, бактерии E. coli в основном конкурируют с другими штаммами за ресурсы. Именно эта конкуренция приводит к генетической адаптации, такой как устойчивость к антибиотикам, которая помогает им выживать в определенных условиях.

Бактерии способны передавать генетический материал, а следовательно, и определенные свойства, через плазмиды — кольцевые фрагменты ДНК. Плазмиды часто несут гены вирулентности, выживания или устойчивости к антибиотикам, повышая приспособленность бактерии. В бактериальных клетках часто обнаруживается несколько плазмид, и из-за их сложного генетического состава и способности обмениваться генами с хромосомой клетки-хозяина плазмиды невероятно сложно отслеживать.

В этом новом исследовании ученые из Института Сэнгера и их коллеги использовали секвенирование длинных чтений для создания 4485 геномов плазмид из более чем 2000 образцов крови, содержащих E. coli, собранных за 16 лет в Норвегии. На основе этих вновь созданных геномов они смогли картировать плазмиды, связанные с 216 различными штаммами E. coli, включая четыре наиболее распространенных в Великобритании.

Кроме того, команда создала 2D-карту, показывающую, где генетический материал передавался горизонтально между штаммами. Это позволило им проследить коэволюцию плазмид и штаммов E. coli на 300 лет назад, показав, что это высококонсервативный и полезный метод генетического переноса. Распутывая эволюцию плазмид, команда смогла связать более ранние глобальные вспышки определенных штаммов с ответственными за них плазмидами и лучше понять факторы, вызывающие распространение определенных штаммов, отслеживая те, что обладают способностью вызывать пандемии.

Исследователи также смогли выявить определенные свойства, которые, как правило, несовместимы. Например, множественная лекарственная устойчивость к антибиотикам и способность производить вещество, убивающее другие штаммы (бактериоцин), не встречаются в одних и тех же бактериальных штаммах. С помощью обширных лабораторных экспериментов команда подтвердила, что носители наиболее успешных генов, кодирующих бактериоцин, способны эффективно подавлять всех не-носителей, включая четыре наиболее распространенных штамма E. coli, циркулирующих в Великобритании.

Важно, что ингибирование было эффективным против всех штаммов с множественной лекарственной устойчивостью в выборке. Это говорит о том, что дальнейшие исследования этих бактериоцинов могут привести к новым способам лечения устойчивых бактериальных инфекций в будущем.

Эта эволюционная карта является жизненно важным ресурсом для научного сообщества и открывает путь к новым прецизионным методам лечения, нацеленным на конкретные плазмиды. Кроме того, будущие исследования могут использовать этот ресурс для дальнейшего понимания факторов и распространения штаммов, более опасных для человека, возможно, предсказывая вспышки бактериальных инфекций и помогая найти новые способы их ограничения.

Ключевые выводы:

• Создана первая детальная эволюционная карта плазмид E. coli, отслеживающая их коэволюцию со штаммами на 300 лет назад.
• Обнаружена плазмида, позволяющая некоторым штаммам E. coli производить бактериоцин (токсин) для уничтожения других штаммов, включая устойчивые к антибиотикам.
• Выявлена несовместимость множественной лекарственной устойчивости и способности производить бактериоцин в одном штамме.
• Ресурс открывает путь к разработке прецизионной терапии, нацеленной на конкретные плазмиды, что может снизить потребность в антибиотиках широкого спектра и замедлить распространение резистентности.