Бактерии «перемешивают» свою генетику, чтобы вырабатывать устойчивость к антибиотикам. Новое исследование

Устойчивость к антибиотикам – способность вредных бактерий выживать при лечении антибиотиками – представляет собой растущую угрозу. Это затрудняет лечение опасных для жизни инфекций, включая туберкулез, MRSA и гонорею, и увеличивает риски даже незначительной операции. Чтобы решить проблему устойчивости к антибиотикам, исследователям в первую очередь необходимо понять, как предотвратить возникновение устойчивости. Недавнее исследование, которое провели ученые из Оксфордского университета, помогло углубить это понимание, показав, что бактерии могут умно изменять свою генетику, чтобы избежать воздействия антибиотиков.

Фото: https://znaj.ua/

У бактерий есть несколько способов выработки устойчивости. Они могут мутировать, чтобы предотвратить воздействие антибиотиков на них, что можно сделать, изменив белки внутри клетки, в которой действуют антибиотики. Они также могут приобретать гены, которые помогают им производить молекулы, разрушающие антибиотики, называемые ферментами. Однако все эти стратегии сопряжены с издержками для устойчивых бактерий. Производство ферментов устойчивости требует много энергии. Модифицированные белки также не могут работать так же эффективно, как раньше. Оба эти фактора серьезно препятствуют развитию бактерий и замедляют их размножение в отсутствие антибиотиков. Это приводит к тому, что устойчивые бактерии проигрывают в конкуренции с другими бактериями за ценные питательные вещества и ресурсы, угрожая их выживанию.

Но устойчивые бактерии нашли способ стать устойчивыми к антибиотикам, ограничив при этом связанные с этим затраты. Недавнее исследование показало, как один такой механизм, включающий нечто, известное как интегрон, дает бактериям невероятный потенциал для приобретения высокого уровня устойчивости при одновременном снижении затрат энергии. Это облегчает выживание и процветание устойчивых к антибиотикам бактерий.

Интегроны – это фрагменты ДНК, уникальные для бактерий, которые позволяют бактериям накапливать гены, полученные от других устойчивых бактерий. Эти гены устойчивости выстраиваются в геноме бактерий один за другим, образуя «массивы». Положение генов в массиве имеет большое влияние на уровень устойчивости бактерий. Гены, которые присутствуют в начале массива, сильно выражены (что означает, что они активно используются) и обеспечивают высокий уровень устойчивости. Гены в задней части хранятся в молчании и могут быть сохранены с небольшими затратами, уменьшая их влияние на бактерии.

Как работают интегроны

Вдобавок ко всему, интегроны обладают фантастическим трюком: ферментом под названием интеграза, который позволяет бактериям отключать и перемещать гены в матрице, когда бактерии находятся в опасности. Считается, что интеграза дает бактериям возможность «перетасовывать» порядок своих генов, позволяя изменять уровни своей устойчивости по мере необходимости. И недавнее исследование было первым, проверившим эту гипотезу.

Чтобы увидеть, насколько полезными могут быть интегроны для бактерий, ученые создали специальные интегроны в лаборатории, которые содержали соответствующий ген устойчивости на последнем месте. У некоторых был дисфункциональный фермент интегразы, который не позволял им перемещать свои гены. Это позволило измерить влияние перетасовки генов на устойчивость к антибиотикам. Затем эксперты использовали подход, называемый экспериментальной эволюцией, вызывав бактерии с увеличивающимися дозами антибиотиков и наблюдали, как долго они выживают. Этот метод позволил напрямую измерить, насколько хорошо бактерии развивают устойчивость.

Фото: https://profile.ru/

Исследователи показали, что бактерии, которые могли перетасовать свои гены, выживали дольше и вырабатывали резистентность чаще, чем те, которые не могли этого делать. Это показывает, как интегроны могут помочь бактериям развить высокий уровень устойчивости к антибиотикам в ответ на лечение. Интересно, что это перемешивание часто было связано с потерей других генов устойчивости, присутствующих в бактериях. Из-за перетасовки генов, чтобы стать устойчивыми к выбранному антибиотику, бактерии потеряли в процессе некоторые из других своих генов устойчивости, снова став восприимчивыми к другим антибиотикам.

Новые стратегии

Результаты исследования предоставляют потенциальные стратегии противодействия интегронам и их роли в развитии сопротивления. Например, антибиотики можно комбинировать с лекарствами, которые могут ингибировать фермент интегразу, чтобы уменьшить перетасовку генов. Лекарства, которые останавливают «SOS-реакцию» бактерий – последнюю реакцию на антибиотики – также ограничивают перетасовку интегронов. Так называемые «антиэволюционные» препараты, которые не убивают бактерии напрямую, но помогают предотвратить развитие резистентности, в настоящее время являются активной областью исследований.

Другой альтернативой было бы использование перетасовки интегронов, чтобы способствовать потере генов устойчивости путем циклического приема различных антибиотиков. Это будет управлять эволюцией бактерий таким образом, чтобы они были чувствительны к ранее непригодным для использования антибиотикам.

Интегроны впервые появились миллионы лет назад. Но теперь они оказались уникальным механизмом адаптации бактерий к использованию антибиотиков людьми и выработки устойчивости к ним. Хотя антибиотики ежегодно спасают бесчисленное количество жизней, их также необходимо использовать осторожно, чтобы избежать дальнейшего распространения устойчивых к антибиотикам бактерий и болезней. Лучшее понимание того, как бактерии развивают устойчивость, позволит нам улучшить то, как мы используем наши нынешние антибиотики, а также те, которые мы разработаем в будущем.