Ученые нашли ключ к борьбе с бактериями, изучая их войны между собой

Ключ к решению проблемы бактериальной устойчивости к антибиотикам нашли ученые из Калифорнийского технологического института, 15 марта сообщает информационный портал Phys.org.

Для бактерии мир может быть трудным местом для выживания, в котором ей нужно преодолевать постоянную конкуренцию за пищу и пространство. Некоторые бактерии, такие как синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa), выделяют токсичные молекулы, которые действуют как защитный механизм от соседних бактерий-конкурентов. Этот природный антибиотик, пиоцианин, также токсичен для самой синегнойной палочки, но она выработала способы выжить в его присутствии.

Когда бактерии производят токсичный природный антибиотик или сталкиваются с ним, они включают клеточную защиту. Эта защита также активна против некоторых антибиотиков, что увеличивает устойчивость к противомикробным препаратам, используемым в клинических условиях.

Елена Перри и Лукас Мейреллес, аспиранты Калифорнийского технологического института, проводили исследование в лаборатории, занимающейся изучением синегнойной палочки на протяжении почти двадцати лет. Они предположили, что понимание того, как синегнойная палочка переносит свои собственные токсины, может дать представление о том, как бактерии становятся устойчивыми к клиническим антибиотикам. Ведь клинические антибиотики часто основаны на молекулах, встречающихся в природе, и поэтому многие из них похожи по структуре на природные антибиотики, такие как пиоцианин.

«Основная идея заключается в следующем: если бактерии развили защиту против собственных токсинов, поможет ли это им выжить и даже развиваться при воздействии синтетического клинического препарата, предназначенного для лечения инфекций?» — задалась вопросом Перри.

Ученые подчеркнули, что толерантность к антибиотикам и устойчивость к антибиотикам — разные вещи. Толерантность — это способность просто выжить при смертельной концентрации антибиотиков, тогда как устойчивость — это способность расти в присутствии этих антибиотиков. Устойчивые к антибиотикам бактерии не только выживают при лечении антибиотиками, но и размножаются, как если бы лечения не было вовсе.

Мейреллес изучал роль пиоцианина в деле достижения толерантности. Он обнаружил, что производство пиоцианина вызывает ряд изменений в клетках синегнойной палочки, которые помогают ей пережить стресс, вызванный этой молекулой. В частности, клетка, которая ощущает присутствие пиоцианина, производит крошечные насосы, помогающие переместить молекулу яда из клетки в окружающую среду. Интересно, что одни и те же насосы могут транспортировать клинические антибиотики, похожие по структуре на пиоцианин. Таким образом, если при лечении инфекций, вызванных синегнойной палочкой, присутствует пиоцианин, насосы будут транспортировать антибиотики из клетки, позволяя ей выжить.

Перри в свою очередь изучала не толерантность, а устойчивость бактерии. Она исследовала, как выработка пиоцианина позволяет синегнойной палочке стать устойчивой к антибиотикам и размножаться в их присутствии. Часто такие патогены, как Pseudomonas, приобретают устойчивость к антибиотикам в результате спонтанных мутаций — например, в генах, связанных с клеточными мишенями антибиотика. Такие мутации могут привести к тому, что лекарство не повлияет на бактерии, и они смогут нормально размножаться.

Перри обнаружила, что когда бактерии растут в присутствии пиоцианина, устойчивые к антибиотикам мутации появляются с гораздо большей частотой, особенно если структура или токсические эффекты антибиотика аналогичны пиоцианину.

«Мы думаем, что когда в клетке включены защитные механизмы против пиоцианина, более вероятно, что спонтанные мутанты с низким уровнем устойчивости к антибиотикам смогут пережить стресс, закрепиться в бактериальной популяции и начать репликацию», — объясняет Перри.

Наконец, аспиранты исследовали, как синегнойная палочка ведет себя в сообществе с другими видами бактерий — в среде, аналогичной естественному состоянию бактерии, в том числе в условиях болезни. Патогенные виды бактерий буркхолдерия (Burkholderia) часто встречаются вместе с синегнойной палочкой во время инфекционных болезней.

Исследование показало, что, хотя буркхолдерия не обладает способностью производить пиоцианин, она извлекает пользу из тех же выработанных в присутствии пиоцианина толерантности и устойчивости, которые проявляются у ее соседей Pseudomonas.

«Идея состоит в том, что если у вас есть сообщество, сформированное различными видами бактерий, где один член вырабатывает типы токсичных молекул, а другой хорошо справляется с токсичностью, то толерантность к антибиотикам или эффекты устойчивости видны во всем сообществе», — сообщил Мейреллес.

Это исследование также показывает, что лабораторное тестирование антибиотиков должно проводиться в условиях, аналогичных условиям настоящей инфекции. Синегнойная палочка обычно производит пиоцианин, когда среда бактерий переполнена, что создает конкуренцию за ресурсы. Однако антибиотики обычно тестируются в лаборатории в условиях низкой бактериальной плотности, в которых пиоцианин не вырабатывается. Таким образом, исследователи могут не получить полной картины того, как бактерии будут вести себя при лечении антибиотиками в клинических условиях.

«Если вы знаете молекулы и защитные механизмы бактерий, вы можете предложить наилучшее решение насчет того, какой антибиотик может быть более эффективным против этих бактерий», — заключил Мейреллес.