Антибиотики практически лишились шанса полностью избавить человека от некоторых видов бактерий. Израильские ученые выяснили механизм столь удивительной устойчивости.
Чрезмерная жизнеспособность некоторых микроорганизмов иногда стоит жизни высокоорганизованным животным. Зачастую определенный штамм бактерии проявляет устойчивость к медикаменту, который теоретически должен был оказаться губительным для патогена. В таком случае ученые пытаются найти особенное оружие -- специфичный антибиотик. Другие бактерии поступают и того коварнее: они вроде как погибают от медицинской травли, но не все. Совсем небольшая часть (иногда несколько особей) патогенной популяции выживает. Выжившие бактерии спят в ожидании лучших времен. Как только прекращается лечение, а концентрация действующего вещества в физиологических жидкостях снижается, они вновь оживают и начинают размножаться.
Разноликие однояйцевые близнецы
Ученые пытались изолировать и размножить гиперживучие бактерии в лабораторных условиях, а после изучить. Но оказалось, что бактерии-монстры, размножаясь, восстанавливают структуру оригинальной популяции. То есть суперустойчивые к антибиотикам бактерии не воспроизводят таких же «могучих Арни», а восстанавливают прежнюю популяцию, в которой есть и обыкновенные, и сверхживучие особи. Причем генотип у всех одинаковый.
Описанный феномен ученые назвали «стохастическая дифференцировка фенотипов генетически однородной популяции клеток». Столь сложное определение достаточно ясно описывает суть явления: у генетически одинаковых микроорганизмов случайно появляются разнообразные фенотипы. То есть явление достаточно удивительное. Это все равно что у человека родились разнополые однояйцевые близнецы.
В 2003 году Корч и Хендерсон (Korch SB, Henderson TA) в журнале Molecular Microbiology описали мутацию hipA7, которая встречалась в изменчивых популяциях. Мутация hipA7 затрагивает генетический комплекс, который осуществляет техническое обслуживание бактериальной ДНК. Ученые предположили, что именно такая мутация способна помогать микроорганизмам изменять лики в зависимости от состояния среды обитания.
Загадочный комплекс
Устойчивые бактерии
Проверить предположение о связи комплекса hipBA TA и изменчивости бактерий решили исследователи из Еврейского университета (Hebrew University) под руководством Эйтена Ротема (Eitan Rotem). Они изучали устойчивость к антибиотикам кишечной палочки (Escherichia coli). Микробиологи описали поведение и внутрипопуляционную изменчивость бактерий с измененным генотипом в различных условиях.
В эксперименте ученые использовали методики генных перестроек и таким способом изучали популяцию. Чтобы изучить физиологические особенности живучих бактерий в разных условиях, исследователи присматривались к каждой особи в отдельности. Результаты авторы опубликовали в статье Regulation of phenotypic variability by a threshold based mechanism underlies bacterial persistence, PNAS.
Генетики изучили предполагаемого виновника устойчивости бактерий к антибиотикам -- генетический модуль hipBA TA. Для этого они по очереди блокировали гены и помещали бактериальные клетки в различные условия. Оказалось, что комплекс hipBA TA меняет облик отдельной бактерии и перестраивает ее физиологические процессы. Все изменения происходят под влиянием взаимоисключающих белков HipA и HipB. Причем HipA по-разному регулирует поведение клеток. Так, умеренная экспрессия гена белка HipA усыпляет лишь некоторые бактерии, в то время как остальные продолжают расти и размножаться. Экспрессия гена HipA на уровне выше среднего затормаживает рост и развитие большей части бактериальной популяции. Так как HipA и HipB взаимодействуют между собой, ученые решили исследовать влияние HipB на работу HipA. Как и предполагалось, чем выше уровень экспрессии HipB, тем больше требуется снотворного HipA для появления видимого эффекта.
Экспериментаторы выяснили, что популяция бактерий не всегда проявляет фенотипическую разнородность. Наибольшие изменения происходят в популяциях, если соотношение белков HipA и HipB колеблется. Протеиновое непостоянство разделяет бактерии на две группы -- бодрствующие (многочисленные) и уснувшие. Под действием антибиотиков погибают те из бактерий, которые ведут активный образ жизни. Уснувшие микроорганизмы дают о себе знать, когда концентрация антибиотиков в среде обитания значительно снижается.
Исследователи пришли к выводу, что генетический модуль hipBA TA посредством белков регулирует частоту, с которой появляются сони, и продолжительность процессов роста и развития бактерий. Они также выяснили, что спящие суперживучие бактерии присутствуют в любой популяции, но они более многочисленны, если в ней есть мутация hipA7.
Ученые отмечают, что молекулярные основы описанного феномена до сих пор неясны. Однако исследователи уверены, что вскоре удастся решить проблему неэффективного лечения, изменив фармацевтические стратегии.
