Исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, что устойчивость возникает в результате мутаций, которые сходятся с аналогичными физическими изменениями у бактерий. Количественная оценка этих изменений путем измерения экспрессии небольшого количества генов может быть полезна для прогнозирования реакции бактерий на данный антибиотик, а знание того, какие гены важны, может способствовать разработке новых способов предотвращения устойчивости.
Чтобы выполнить этот сложный генетический и фенотипический анализ, Синго Сузуки, Такааки Хориноути и Чикара Фурусава впервые использовали метод, называемый лабораторной эволюцией, для создания 44 штаммов E. coli, каждый из которых устойчив к одному из 11 различных антибиотиков. Затем они изучили, как каждый из этих устойчивых штаммов реагировал на 25 антибиотиков, с которыми они никогда не сталкивались. Тесты показали, что у большинства штаммов развилась устойчивость к нескольким из 25 — явление, называемое перекрестной устойчивостью, — даже когда эти антибиотики действовали иначе, чем тот, который использовался для создания устойчивости.
Команда также обнаружила, что в случае двух классов антибиотиков развилась перекрестная восприимчивость — бактерии, которые стали устойчивыми к одному типу, стали более уязвимыми для другого.Исследователи пришли к выводу, что подобные изменения в экспрессии генов могут быть одной из причин перекрестной устойчивости. Чтобы проверить эту гипотезу, они идентифицировали изменения в экспрессии генов для каждого из устойчивых штаммов с помощью анализа микрочипов.
Затем они объединили эту информацию с данными об устойчивости, перекрестной устойчивости и перекрестной восприимчивости некоторых штаммов, чтобы создать простую линейную модель, которая очень хорошо предсказывала паттерны устойчивости и восприимчивости остальных штаммов. Фурусава отмечает, что «эти высокоточные прогнозы были возможны с использованием небольшого количества генов, что сделало это мощным способом описания фенотипа бактерии и ее ожидаемого ответа на антибиотики».Исследователи также искали фиксированные мутации, которые могли бы связать развитие устойчивости к антибиотикам. Например, они обнаружили, что почти все штаммы имеют фиксированные мутации, влияющие на конкретный насос оттока нескольких лекарственных препаратов — насос, который бактерии используют для удаления нежелательных молекул.
Однако одним из основных результатов было то, что, хотя бактерии демонстрировали сходные изменения в паттернах экспрессии, они часто были результатом различных изменений в геноме, а часто и комбинации нескольких различных мутаций. Фурусава предполагает, что «этот тип конвергентной эволюции может быть ключевым фактором, который стимулирует развитие устойчивости к антибиотикам».Было обнаружено, что классы антибиотиков с перекрестной чувствительностью обладают экспрессией генов и фиксированными мутациями, которые вообще не перекрываются.
Штаммы, устойчивые к аминогликозидным антибиотикам, например, показали мутации и подавление активности генов, которые, будучи эффективными в блокировании аминогликозидных антибиотиков, также приводили к менее эффективным насосам оттока нескольких лекарственных препаратов. Это объясняет, почему эти штаммы стали более восприимчивыми ко всем другим антибиотикам — бактерии не могли выводить их из своих клеток.Понимание общих факторов, которые приводят к устойчивости к антибиотикам, может помочь в борьбе с этой растущей проблемой.
Как размышляет Фурусава, «давая возможность количественно определить, какие гены способствуют развитию устойчивости к антибиотикам, это исследование может привести к новым методам блокирования приобретения устойчивости и к разработке новых соединений антибиотиков».