Бактерии помогают соседям бороться с антибиотиком

Стратегию бактериальной защиты изучали Джеймс Коллинз (James J. Collins) и его коллеги из Медицинского института Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute), Университета Бостона (Boston University) и Института биологической инженерии Уайса (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) Гарвардского университета (Harvard University) в Бостоне. Они культивировали в биореакторе генетически однородный штамм бактерии кишечной палочки Escherichia coli. Чтобы проследить, как бактерии вырабатывают устойчивость, в биореактор добавляли антибиотик норфлоксацин в концентрации, которая подавляет рост микроорганизмов на 60%. Эта концентрация, которую называют минимальной ингибиторной, характеризует устойчивость бактерий. Чем она выше, тем выше устойчивость.

Показатель измеряли каждый день во всей колонии, а также в отдельных изолятах бактерий, которые извлекали из биореактора. Ученые ожидали, что между устойчивостью всей колонии и отдельных изолятов не будет разницы, но оказалось, это не так. Среди изолятов большинство не переносили даже малую концентрацию антибиотика, то есть, не обладали никакой сопротивляемостью. Меньшая часть оказалась устойчивой – очевидно, это мутанты, изменившиеся генетически. Однако при этом вся колония выживала и росла.

Защитил себя – защити других

Колония могла выжить только при условии, что устойчивые мутанты помогают своим неустойчивым соседям. Биологи взяли самый устойчивый изолят и проанализировали все вещества, которые бактерии выделяют в окружающую среду. Выяснилось, что в присутствии норфлоксацина бактерии производят большое количество триптофаназы. Фермент расщепляет аминокислоту триптофан на аммиак, пируват и индол. Индол – сигнальная молекула из группы стероидов. Колонии E. coli активно выделяют его при любом стрессе.

Устойчивые мутанты производят индол в пользу соседних изолятов. Это вещество обеспечивает защиту от антибиотика двумя способами. Во-первых, запускает работу клеточного насоса, который изгоняет яд из клетки. А во-вторых, активизирует биохимические пути защиты клетки от окислительного стресса -- повреждения свободными радикалами. Несколько лет назад группа Коллинза открыла, что актибиотики повреждают бактерии свободными радикалами. Индол помогает бактериям сопротивляться этой атаке.

Биологи взяли устойчивый изолят -- номер 12 и неустойчивый – номер 6 для совместного культивирования. Опыт показал, что первый помогает второму выживать в присутствии антибиотика. Экспериментаторам пришлось втрое увеличить концентрацию норфлоксацина, чтобы колонии умерли, по сравнению с опытом, где препарат испытывали только на шестого изолята. А число его клеток под защитой соседа выросло более чем в десять раз.

Бактериальный альтруизм выгоден

Характерно, что производство индола – энергетически затратный процесс, и устойчивые мутанты делятся им с другими, не считаясь со своими затратами. Если бы они не выделяли индол «за себя и за того парня», они увеличили бы собственный рост в несколько раз. Так что такое поведение биологи с полным основанием считают альтруистическим.

Впрочем, как всякий альтруизм в мире животных, он имеет генетическое обоснование, которое сформулировал британский эволюционный биолог Уильям Гамильтон (W.D. Hamilton). Правило Гамильтона гласит, что организм может вести себя альтруистически в пользу других, если они разделяют с ним его гены, причем цена альтруизма для спасателя должна быть меньше, чем суммарная выгода для спасенных. Поскольку бактерии генетически идентичны, они заботятся о выживании всей колонии, так как тем самым их гены получают путевку в будущее.

Как нам победить сплоченность в стане врага

Было интересно посмотреть, чем отличаются устойчивые и неустойчивые к антибиотику изоляты бактерий. Генетический анализ показал, что у мутантов изменились участки ДНК, отвечающие за выкачивание яда из клетки и за защиту от окислительного стресса. Интересно, что эти участки не связаны с образованием индола – его бактерии производили для других.

Наконец, чтобы проверить универсальность защитного механизма, к колонии бактерий в биореакторе добавили другой антибиотик – аминоглюкозид гентамицин. Все в точности повторилось.

До сих пор специалисты считали, что в борьбе с антибиотиком между популяциями микроорганизмов происходит конкуренция: выживают те, кто приобрел мутацию устойчивости, а остальные погибают. Открытое явление взаимопомощи – совершенно новый способ распространения резистентности бактерий к лекарственным средствам. «Шанс, что может появиться некий суперустойчивый микроб, весьма велик, -- говорит Коллинз, – и я боюсь, что наш арсенал антибиотиков ограничен». Поэтому в «гонке вооружений» с бактериями человеку надо менять стратегию. Одной из мишеней для действия новых лекарств может стать взаимодействие бактериальной клетки с индолом.

Статья об альтруизме бактерий опубликована в последнем выпуске Nature.