В статье исследователи из Принстонского университета в Нью-Джерси описывают, как они наблюдали, как два похожих штамма бактерии кишечной палочки быстро развили одинаковые уровни устойчивости к антибиотикам с использованием удивительно разных генетических мутаций. Разработка различных решений одной и той же проблемы показывает, что бактерии обладают разнообразным арсеналом генетического «оружия», которое они могут разработать для борьбы с антибиотиками, что потенциально делает их более универсальными и трудными для борьбы с ними.
«Бактерии умны — у них есть скрытые способы реагирования на стресс, которые включают изменение их геномов», — сказал Роберт Остин, биофизик из Принстона, возглавлявший исследовательскую группу.По словам Остина, понимание того, насколько эффективно бактерии могут выжить при лекарствах, — отрезвляющая мысль. «Это учит нас тому, что антибиотики нужно использовать гораздо осторожнее, чем это было до сих пор», — сказал он.Ускорение эволюции
Остин и его коллеги специализируются на разработке уникальных микроструктур, заполненных жидкостью, для проверки теорий бактериальной эволюции. Вместо использования пробирок или чашек Петри — однородной среды, которая, как отмечает Остин, существует только в «увитых плющом академических залах», — исследователи создают устройства, которые, по их мнению, лучше имитируют естественные экологические ниши.Команда использует микрожидкостное устройство, изготовленное на заказ, которое содержит около 1000 подключенных микробиологических сред обитания, в которых растут популяции бактерий.
Устройство генерирует сложные градиенты пищи и антибиотиков, аналогичные тем, которые могут быть найдены в естественной среде обитания бактерий, такой как кишечник или другие части человеческого тела.«В сложных средах появление резистентности может быть гораздо более быстрым и серьезным, чем можно было бы ожидать от экспериментов в пробирках», — сказал Остин.Из предыдущих экспериментов со сложными микроструктурными устройствами исследователи знали, что у некоторых обычных штаммов бактерий кишечной палочки «дикого типа» быстро развилась устойчивость к антибиотикам. Они задавались вопросом, будет ли мутантный штамм под названием GASP, который размножается быстрее с ограниченными питательными веществами, чем у дикого типа, развить тот же тип устойчивости к антибиотикам при воздействии того же лекарства.
Раскрыто секретное оружиеПосредством секвенирования геномов колоний бактерий дикого типа и GASP, подвергшихся воздействию антибиотика ципрофлоксацина (Cipro), исследователи обнаружили, что различные генетические мутации могут привести к аналогичным уровням устойчивости к антибиотикам.
Например, возникли два разных мутантных штамма: один из устойчивых к антибиотикам штаммов GASP развился таким образом, что ему больше не нужно было создавать биопленки, чтобы выжить в стрессе. Он сделал это, «позаимствовав» часть оставшейся ДНК у вируса, поражающего бактерии. Другой штамм не делал этого иссечения, что указывает на то, что в процессе эволюции эти штаммы могут застраховать свои ставки.Вирусы обычно вводят свою ДНК в бактерии, и иногда остаются последовательности ДНК, которые, кажется, больше не имеют никакой функции с точки зрения вирусной репликации.
В нормальных условиях оставшаяся ДНК не может ни помочь, ни помешать бактериям, но во время стресса бактерии могут использовать новую ДНК для быстрого развития мутаций, устойчивых к антибиотикам.По словам Остина, результаты демонстрируют тонкость и разнообразие средств, которыми обладают бактерии для борьбы со стрессом.
Он задается вопросом, уязвимы ли наши оставшиеся эффективные методы уничтожения бактерий, такие как использование этанола для дезинфекции поверхностей, и его команда планирует проверить, могут ли бактерии в их устройствах развить устойчивость к этанолу.