Гены устойчивости к антибиотикам сохраняются в E. coli благодаря «генетическому капитализму»
Чрезмерное использование антибиотиков вызывает быстрый рост устойчивости бактерий за счёт распространения генов резистентности. Новое исследование предполагает, что причина не только в распространении генов, но и в фундаментальном изменении эволюционных механизмов, управляющих «экономикой» генного состава микробов.
В норме эволюция по принципу естественного отбора действует как экономический анализ «затраты-выгода»: гены, наносящие ущерб приспособленности организма, должны исчезать. Однако чрезмерное вмешательство человека, по-видимому, превращает бактерии в «генетических капиталистов», накапливающих гены, что ведёт к неожиданному эволюционному процессу.
Исследование, опубликованное в журнале Cladistics, проанализировало геномы 29 255 штаммов Escherichia coli (E. coli), собранных с 1884 по 2018 год, чтобы изучить эволюцию 409 различных генов, обеспечивающих устойчивость к антибиотикам. Учёные проверили, сохраняются ли гены резистентности в бактериальной линии после приобретения — феномен «генетического капитализма» — или исчезают, когда в них нет необходимости, в процессе нормальной эволюции, известной как «стабилизирующий отбор».
Смена эволюционного правила
Ожидалось, что гены устойчивости, подобно громоздким инструментам, будут утрачиваться, когда в них нет нужды. Однако исследование показало, что «стабилизирующий отбор» больше не является правилом для генов антибиотикорезистентности.
«В отсутствие селективного давления антибиотиков бактериальная линия должна была бы эволюционировать, теряя гены, обеспечивающие устойчивость... Это стабилизирующий отбор», — отметил Дэниел Джейнис, ведущий автор исследования.
Вместо этого, за 134-летнюю историю E. coli, сохранение генетических изменений, обеспечивающих устойчивость, происходило чаще, чем их утрата в результате долгосрочного отбора.
«Большинство изученных нами генов демонстрируют приобретения в бактериальной линии, но редко — потери», — сказал Джейнис. — «Представьте, как ношение всех этих генов — иногда до 30 штук — должно влиять на эволюционную приспособленность бактерии».
Массовое вмешательство человека привело к широкому распространению «накопительства» генов резистентности, что вряд ли произошло бы под обычным эволюционным давлением.
Различия в механизмах устойчивости
Исследование отслеживало пять различных способов, которыми гены могут обеспечивать устойчивость к антибиотикам, и выявило различия между этими классами.
Гены резистентности, работающие через механизмы «замещения» (замена молекул-мишеней антибиотика в клетке) или «эффлюкса» (вывод антибиотика из клетки), с большей вероятностью всё ещё подвержены элиминации через стабилизирующий отбор. Вероятно, потому что эти два механизма крайне затратны для обычного функционирования бактериальной клетки.
Однако все остальные механизмы устойчивости ведут себя согласно принципу «генетического капитализма», способствуя сохранению генов. В целом, тенденция удерживать эти затратные гены стала новым правилом для бактериальных линий.
Последствия и надежда
«Это исследование помогает стратифицировать серьёзность или риск различных типов резистентности, — отметил первый автор статьи Кольби Форд. — Мы можем точнее определить антибиотики, к которым у бактерий выше риск развития более постоянной формы устойчивости».
Исследователи отмечают, что распространённость некоторых генов резистентности (тех, на которые всё ещё сильно влияет стабилизирующий отбор) может быть снижена в популяциях бактерий с помощью «циклирования антибиотиков» — временного вывода определённых препаратов из употребления.
«Это тревожное открытие, но я не хотел писать статью о «мрачном будущем» — я думаю, есть надежда на управление некоторыми видами устойчивости, — сказал Джейнис. — Если есть главный вывод для рационального использования антибиотиков, то он в том, что некоторые классы антибиотиков, те, что действуют через замещение мишени и эффлюкс, подвержены стабилизирующему отбору, если у нас есть воля и организация для внедрения циклирования».