«Антибиотики могут убивать бактерии только тогда, когда они активно растут и делятся», — сказал Томас К. Вуд, профессор химической инженерии и заведующий кафедрой биотехнологий в Пенсильвании. «Но факторы стресса окружающей среды часто включают бактериальный механизм, который создает токсин, который делает клетки бездействующими и, следовательно, устойчивыми к антибиотикам».Бактерии, образующие биопленки, часто трудно убить. Они могут реагировать на сигналы окружающей среды и вырабатывать токсин, который заставляет клетки переходить в состояние покоя.
Антибиотики не могут воздействовать на спящие клетки.Один из видов бактерий, которые это делают, обитает в желудочно-кишечном тракте. Желчь, выделяемая печенью и хранящаяся в желчном пузыре, попадая в желудочно-кишечный тракт, может убивать бактерии.
В присутствии желчи эти бактерии производят белок, который является самотоксином, и бактерии переходят в состояние покоя. Когда желчь уходит, бактерии производят другой белок, который разрушает белок-ингибитор, и бактерии оживают.
Эти токсин-антитоксиновые системы присущи бактериям и служат для защиты их от различных внешних воздействий, связанных с окружающей средой.Вуд и его коллеги охарактеризовали первую токсин-антитоксиновую систему в биопленке.
Они сообщают в Nature Communications, что эта система также является первой, о которой известно, что она зависит от кислорода. Характеристика была проведена на молекулярном и атомном уровне исследователями из лаборатории биомолекулярного ЯМР Университета Барселоны, Испания. Они обнаружили, что в структуре антитоксина E. coli есть каналы, которые достаточно велики для прохождения кислорода.
Токсин в этой системе — Hha, а антитоксин — TomB. Однако, в отличие от других пар токсин-антитоксин, где токсин делает клетку бездействующей, а антитоксин инактивирует токсин путем связывания, этой системе необходим кислород в присутствии антитоксина для окисления токсина и пробуждения бактерий.«Если мы поймем системы токсинов и антитоксинов на молекулярном или атомном уровне, мы сможем создавать лучшие противомикробные препараты», — сказал Вуд. «Я бы сказал, что системы токсинов и антитоксинов имеют фундаментальное значение для физиологии всех бактерий. Мы надеемся, что это даст нам представление о том, как они выживают после воздействия антибиотиков».
Свободноплавающие бактерии обычно легко становятся мишенью для антител или антибиотиков, но бактерии, образующие биопленки, убить труднее. При туберкулезе у бактерий есть 88 различных вариантов токсинов для реакции на стрессы окружающей среды. По словам Вуда, это одна из причин, по которой больные туберкулезом должны оставаться на антибиотиках в течение нескольких месяцев или лет, чтобы очистить организм от всех бактерий.Биопленки вызывают 80% инфекций человека и являются одним из самых серьезных факторов, способствующих возникновению острой проблемы устойчивости к антибиотикам.
Исследователи обнаружили, что 10 процентов кислорода достаточно, чтобы разбудить бактерии, но в биопленке проблема становится доступной. Бактерии на краях пленки могут легко подвергаться воздействию кислорода, но бактерии, находящиеся дальше внутри пленки, могут не контактировать с кислородом. Каналы, которые образуются в биопленке E. coli, позволяют кислороду проникать в биопленку, пробуждать бактерии, разрушать биопленку и рассеивать ее.
Исследователи предполагают, что этот тип токсина, зависящий от кислорода, может стать мишенью для антибактериального лечения, подавляющего образование биопленок.