Генетические компромиссы не останавливают эволюцию устойчивости к антибиотикам

Бактерии могут развивать устойчивость к антибиотикам даже перед лицом сложных генетических компромиссов, связанных с различными концентрациями препаратов, говорится в новом исследовании, опубликованном в eLife.

Быстрое появление бактерий, устойчивых к антибактериальным препаратам, — это растущий глобальный кризис в области здравоохранения. Результаты дают ценное новое понимание того, как разные концентрации препаратов влияют на эволюцию устойчивости у бактерий Escherichia coli (E. coli), которые могут вызывать опасные для жизни инфекции крови.

Устойчивость к антибиотикам может возникнуть, когда генетическая мутация в отдельной бактерии позволяет ей выжить под действием препарата. Пока уязвимые бактерии погибают, новый устойчивый штамм размножается. Для того чтобы бактерии стали высокоустойчивыми к антибиотикам, требуется несколько мутаций, и каждая из них, вероятно, сопровождается компромиссами. Например, мутация, позволяющая бактериям выжить под действием антибиотика, может замедлить рост организма в его отсутствие. Чем больше компромиссов на эволюционном пути к лекарственной устойчивости, тем сложнее должно быть её возникновение.

«Если ландшафт приспособленности гладкий, с небольшим количеством компромиссов, эволюционирующая бактериальная популяция может легко стать устойчивой, тогда как в пересечённом ландшафте с множеством компромиссов можно ожидать, что она застрянет на субоптимальных пиках и с меньшей вероятностью станет устойчивой», — объясняет ведущий автор Суман Дас, научный сотрудник Института биологической физики Кёльнского университета, Германия.

Чтобы больше узнать о том, как разные концентрации антибиотиков влияют на эволюцию устойчивости у E. coli, Дас объединился с коллегами из Эдинбургского университета, Великобритания (Сузана Дирейту, Бартломей Вацлав и Розалинд Аллен), которые подвергли бактерии воздействию разных концентраций антибиотика ципрофлоксацина. Они отслеживали скорость роста бактерий в этих условиях и возникающие компромиссы, а Дас создал математическую модель на основе их данных.

Модель показала, что пути к устойчивости становятся труднее преодолеть при наличии компромиссов. Но, вопреки ожиданиям исследователей, препятствия, созданные компромиссами, не сделали возникновение устойчивости менее вероятным.

«Эволюция устойчивости не ограничивалась пересечённостью ландшафта приспособленности, — говорит Дас. — В то же время, по мере появления большего числа компромиссов нам становилось труднее предсказать эволюционный путь, который бактерии выберут для достижения устойчивости».

Однако их модель также показала, что бактерии могут повернуть вспять и вновь обрести чувствительность к антибиотикам при столкновении с более низкими концентрациями препаратов.

«Наша модель предоставляет принципиальную основу для решения проблемы эволюции устойчивости к антибиотикам в клинических и природных условиях, где концентрации препаратов сильно различаются, — добавляет старший автор Иоахим Круг, руководитель группы в Институте биологической физики Кёльнского университета. — В один прекрасный день её можно будет использовать, чтобы помочь учёным разработать новые препараты или протоколы лечения, предотвращающие или замедляющие появление устойчивости к антибиотикам».