Крошечные "прыгающие гены" названы виновником роста антибиотикорезистентности
Биомедицинские инженеры из Университета Дьюка считают, что обнаружили физический механизм, из-за которого высокие дозы антибиотиков способствуют распространению устойчивости к ним между бактериями.
Виновником, по их мнению, является избыток "прыгающих генов" — транспозонов, которые переносят генетические инструкции по устойчивости из хромосомной ДНК клетки на плазмиды, способные перемещаться между клетками.
Результаты были опубликованы онлайн 28 марта в журнале Nature Ecology & Evolution.
"Есть много свидетельств того, что человеческие патогены, вероятно, получают устойчивость к антибиотикам от других видов, обитающих в естественной среде", — сказал Линчон Ю, профессор биомедицинской инженерии в Дьюке. "Интуитивно понятно, что высокие уровни антибиотиков в этих средах облегчают "прыжок" генов устойчивости с хромосом на плазмиды для их распространения, но лежащий в основе механизм никогда не был непосредственно проверен. Здесь и появляется наша работа".
Не секрет, что рост устойчивости к антибиотикам у патогенов человека совпал с увеличением использования антибиотиков в крупномасштабных промышленных предприятиях, таких как сельское хозяйство и производство. Хотя гены, обеспечивающие устойчивость, кажутся относительно новыми для этих патогенов, некоторые из них существуют миллионы лет у бактерий, обитающих в определенных диких экосистемах. В сочетании с экспериментами, показывающими, что высокие уровни антибиотиков способствуют распространению устойчивости как внутри видов бактерий, так и между ними, легко сделать вывод, что человеческие патогены приобрели эти гены устойчивости из окружающей среды из-за роста в ней уровня антибиотиков.
Хотя причина и следствие кажутся ясными, исследования никогда твердо не устанавливали основные механизмы, сказал Ю. Ученым известно, что небольшие свободно плавающие пучки ДНК, называемые плазмидами, переносят гены устойчивости между клетками. Однако собственные исследования Ю показали, что наличие антибиотиков не увеличивает скорость, с которой плазмиды осуществляют этот обмен генами. Тогда что же является фундаментальной движущей силой этого естественного отбора?
В новой статье Ю и его постдок И Яо показывают, что этим загадочным механизмом может быть опосредованный антибиотиками отбор на "прыгающие гены" — транспозоны, которые переносят гены устойчивости с хромосом клетки на плазмиды.
"Эксперименты И были разработаны для проверки этого возможного пути, объясняющего, как разные патогены фактически получают устойчивость от видов окружающей среды", — сказал Ю. "И он продемонстрировал, что это не только возможно, но и очень вероятно".
Транспозоны — это крошечные фрагменты ДНК, которые постоянно "прыгают" внутри клетки. Они могут перемещаться с места на место внутри центральной генетической базы данных клетки, а также могут "перепрыгивать" с хромосом на более крупные плазмиды, способные перемещаться между клетками, или наоборот. Это может привести к появлению хромосом или плазмид, содержащих множество копий одних и тех же генетических "инструкций".
В серии экспериментов Яо подвергал клетки, устойчивые к различным типам антибиотиков, воздействию ряда концентраций этого антибиотика. По мере увеличения концентрации неизменно наступал момент, когда клетки, несущие плазмиды с большим количеством копий генов устойчивости, начинали превосходить своих собратьев.
"Все кривые выглядели почти одинаково", — сказал Ю. "На самом деле удивительно, насколько устойчива эта тенденция".
Исследователи говорят, что количество копий транспозонов на плазмидах влияет на то, сколько белков устойчивости к антибиотикам производит клетка. Это производство требует энергетических затрат, и только когда количество антибиотиков достигает определенного уровня, дополнительные затраты энергии становятся ценным признаком.
Однако неясно, вызывают ли более высокие уровни антибиотиков непосредственно повышение активности транспозонов устойчивости внутри этих клеток. Скорее, это демонстрирует, что если "прыжки" транспозонов уже происходят, то отбор под действием антибиотиков всегда будет обогащать популяцию, содержащую гены устойчивости, которые перескочили на плазмиды.
Уровни антибиотиков, необходимые для запуска этого отбора, по словам исследователей, сильно различаются между видами и конкретными препаратами. Но этот диапазон не является редкостью в современных природных условиях, потенциально создавая давление, необходимое для того, чтобы патогены человека стали чаще подхватывать гены устойчивости.
"Сейчас мы работаем над тем, чтобы доказать, что эта динамика активно происходит в реальных условиях, например, в больницах, а не только в чашке Петри", — сказал Ю. "Мы также хотим посмотреть, сможем ли мы использовать эти знания для избирательной настройки потока генов, чтобы оптимизировать бактерии, созданные для промышленного использования".