Антибиотики изменяют бактериальный секс

В отличие от абсолютного большинства живых организмов для бактерий обмен ДНК друг с другом – вполне обычное явление. По данным Уильяма Хейнаджа из Императорского колледжа Лондона, этот «бактериальный секс» привел к образованию группы пневмококков, устойчивых к нескольким классам современных антибиотиков.

Устойчивая проблема

Проблема резистентности, то есть устойчивости микробов к антибиотикам, ключевая для современных микробиологов. И если верить ежегодным отчетам инфекционистов, то темпы развития резистентности зачастую вполне сопоставимы с прогрессом фармацевтической промышленности. Особенно опасны в этом плане внутрибольничные инфекции, поражающие и без того ослабленных пациентов. С учетом того, что возбудители прячутся в системе вентиляции, по углам и щелям, «вытравить» такую инфекцию очень непросто.

Среди же внутрибольничных наибольшую опасность представляют бактерии, поражающие мочевыводящие пути и дыхательную систему: лежачее положение не лучшим образом сказывается на вентиляции легких и на работе выделительной системы. Естественно, этим пациентам сразу же назначают более эффективные антибиотики. Но любая бактерия, овладевшая в результате мутации устойчивостью к препарату, уже через сутки даст миллион, а то и больше потомков, которые тоже будут обладать этой самой устойчивостью.

Половая жизнь бактерий

Хейнадж и соавторы публикации в Science обратили внимание на второй способ развития резистентности у бактерий -- половой процесс, то есть обмен участками генома без сопутствующего размножения. «Героем» исследования стал пневмококк Streptococcus pneumoniae, ежегодно вызывающий около миллиона смертей от воспаления легких, менингита и их осложнений.

Горизонтальный перенос генов известен у бактерий с 1928 года, причем открыт он был именно для S. pneumoniae. Тогда Фредерик Гриффит продемонстрировал, как непатогенные штаммы превращаются в патогенные после контакта с убитыми сородичами. Он назвал феномен трансформацией. Позже удалось показать, что это происходит за счет активного включения в геном цепочек ДНК из окружающей среды. Причем последние необязательно должны принадлежать тому же виду. Из эукариот на подобный фокус способна только коловратка, присоединяющая фрагмент чужеродной ДНК к своим хромосомам.

На этом умения бактерий не ограничиваются: в 1946 году была открыта конъюгация, при которой сливающиеся на время бактерии обмениваются плазмидами -- небольшими кольцевыми цепочками ДНК, отвечающими обычно за одну определенную функцию. Некоторые плазмиды могут даже встраиваться в основную хромосому, которая у бактерий всего одна.

Третий механизм – трансдукция, при которой роль переносчиков берут на себя бактериофаги – вирусы, избирательно поражающие бактерии. Что-то подобное встречается и у животных, но в случае с бактериями организм представлен одной клеткой, поэтому все приобретенные изменения закрепляются в поколениях.

Генная мозаика

В упомянутой работе ученые сконцентрировались на первых двух «самостоятельных» методах. Для этого они провели масштабное секвенирование геномов 1930 штаммов S. pneumoniae и еще 100 близкородственных S. mitis, S. pseudopneumoniae и S. oralis (40, 39 и 15 штаммов соответственно). По степени родства микробиологи разделили подопечных на шесть больших групп. Причем самый «мозаичный» геном, характеризующий высокую «псевдополовую» активность, оказался у 4-го кластера, полностью представленного штаммами S. pneumoniae.

Эта же группа оказалась наиболее устойчивой к действию антибиотиков разных классов – пенициллина, эритромицина, тетрациклина, хлорамфеникола и цефотаксима, причем степень устойчивости оказалась напрямую связана со степенью мозаичности генома.

Кажущаяся очевидной причина на первый взгляд не настолько очевидна. Ведь в случае высокой частоты горизонтального переноса ДНК за счет известных механизмов гены устойчивости могут как появляться, так и исчезать, «меняясь» на несмысловые или «недостаточно смысловые» участки. Впрочем, не стоит забывать про искусственный отбор за счет антибиотиков.

Для фармакологов же это не только новая проблема, но и возможный способ решения предыдущих. С одной стороны, если найти способ замедлить горизонтальный перенос, то распространение спонтанно возникающей устойчивости будет идти гораздо медленнее. С другой -- феноменом того же переноса можно воспользоваться для выключения резистентности. Осталось только придумать как.