Инженеры-биомедики из Университета Дьюка считают, что открыли физический механизм, благодаря которому высокие дозы антибиотиков способствуют распространению устойчивости к антибиотикам между бактериями.
Виновником, по их словам, является переизбыток «прыгающих генов», называемых транспозонами, которые несут генетические инструкции по устойчивости от исходного кода клетки к плазмидам, перемещающимся между клетками.
Результаты появились онлайн 28 марта в журнале Nature Ecology & Evolution.
«Есть много свидетельств того, что человеческие патогены, вероятно, приобретают устойчивость к антибиотикам от других видов, живущих в естественной среде», — сказал Линчонг Ю, профессор биомедицинской инженерии в Университете Дьюка. «Интуитивно понятно, что высокие уровни антибиотиков в этих средах облегчают перенос генов резистентности с хромосом на плазмиды, чтобы они могли распространяться, но основной механизм никогда не тестировался напрямую. Вот где начинается наша работа».
Ни для кого не секрет, что рост устойчивости к антибиотикам у человеческих патогенов совпал с ростом использования антибиотиков в крупномасштабных промышленных предприятиях, таких как сельское хозяйство и производство. Хотя гены, обеспечивающие устойчивость, кажутся относительно новыми для этих патогенов, некоторые из них существуют миллионы лет назад в бактериях, живущих в определенных диких экосистемах. В сочетании с экспериментами, которые показывают, что высокие уровни антибиотиков способствуют распространению устойчивости как внутри, так и между видами бактерий , легко сделать вывод, что человеческие патогены приобрели эти гены устойчивости из окружающей среды из-за повышения уровня антибиотиков в окружающей среде.
По словам Ю, хотя причина и следствие кажутся ясными, исследования так и не установили основные механизмы. Ученым известно, что небольшие свободно плавающие пучки ДНК, называемые плазмидами, несут гены резистентности между клетками. Однако собственное исследование Ю показало, что присутствие антибиотиков не увеличивает скорость, с которой плазмиды осуществляют эти замены генов. Что же тогда, спрашивали исследователи, является фундаментальной силой, движущей этим естественным отбором ?
В новой статье Ю и его постдоктор Йи Яо показывают, что этот таинственный механизм может быть опосредованным антибиотиками отбором «прыгающих генов», называемых транспозонами, которые переносят гены резистентности от клеточных хромосом к плазмидам.
«Эксперименты Йи были разработаны, чтобы проверить этот возможный путь, который объясняет, как различные патогены на самом деле получают устойчивость от видов из окружающей среды», — сказал Ю. «И он продемонстрировал, что это не только возможно, но и весьма вероятно».
Транспозоны — это крошечные фрагменты ДНК, которые постоянно прыгают внутри клетки. Они могут перескакивать с места на место в центральной генетической базе данных клетки, а также могут переходить из базы данных ДНК в более крупные плазмиды, способные перемещаться между клетками, или наоборот. Это может привести к тому, что хромосомы или плазмиды будут содержать множество копий одних и тех же генетических чертежей.
В серии экспериментов Яо подвергал клетки, устойчивые к различным типам антибиотиков, воздействию различных концентраций этого антибиотика. По мере увеличения концентрации неизменно наступал момент, когда клетки, несущие плазмиды с большим количеством копий генов устойчивости, начинали превосходить своих сверстников.
«Все кривые выглядели почти одинаково», — сказал Ю. «На самом деле удивительно, насколько устойчива эта тенденция».
Исследователи говорят, что количество копий транспозонов на плазмидах влияет на то, сколько белков устойчивости к антибиотикам вырабатывает клетка. Это производство требует затрат энергии , и только когда количество антибиотиков достигает определенного уровня, дополнительная затрачиваемая энергия становится ценной чертой.
Однако неясно, вызывают ли более высокие уровни антибиотиков прямое повышение активности резистентных транспозонов в этих клетках . Скорее, это демонстрирует, что если скачок транспозона уже происходит, отбор антибиотиков всегда будет обогащать популяцию, содержащую гены резистентности, которые перескочили на плазмиды.
Уровни антибиотиков, необходимые для начала этого отбора, говорят исследователи, сильно различаются между видами и конкретными лекарствами. Но этот диапазон не является чем-то необычным в сегодняшней естественной среде, потенциально обеспечивая давление, необходимое человеческим патогенам для более регулярного захвата генов резистентности.
«Сейчас мы работаем над тем, чтобы доказать, что эта динамика активно проявляется в реальных условиях, таких как больницы, а не только в чашке Петри», — сказал Ю. «Мы также хотим посмотреть, сможем ли мы использовать эти знания, чтобы выборочно настроить поток генов, чтобы оптимизировать бактерии, созданные для промышленного использования».
Теги: биотехнологии
