Бактерии научились приобретать устойчивость к антибиотикам в два шага

Микробиологи обнаружили, что резистентность бактерий к антибиотикам гораздо стремительнее развивается на фоне толерантности и находится с ней в тесной связи. Возможно, предотвращение развития толерантности способно решить проблему возникновения лекарственной устойчивости. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко с его результатами можно ознакомиться в пресс-релизе Еврейского университета в Иерусалиме.

С самого первого применения пенициллина и до наших дней бактерии усердно эволюционируют в сторону невосприимчивости к антибиотикам, а ученые непрерывно придумывают, что этому противопоставить. К несчастью, пока человечество скорее проигрывает в этой борьбе.

К лекарственной устойчивости можно прийти разными путями — приобрести молекулярный насос, выкачивающий молекулы антибиотика из клетки, научиться заблаговременно разрушать их, переделать до неузнаваемости мишень, на которую направлено действие препарата или, например, подставить антибиотику «ложные цели», как это научился делать золотистый стафилококк. В любом случае, для человечества результат закономерен — снижение эффективности лекарств, а в конце концов — полная их бесполезность в пока еще некоторых случаях.

Известно, что для бактерий приобретение резистентности не единственный способ выживания — существует еще толерантность, подразумевающая «замирание» микроорганизма, при котором он не может расти и размножаться, но и не умирает. Попав в благоприятную среду, бактерии не сразу переходят к экспоненциальному росту — ему предшествует латентная фаза, когда микробы обживаются на новом месте. Некоторые антибиотики, например ампициллин, препятствуют строительству клеточной стенки бактерий, то есть действуют только в фазу активного роста. А значит микроорганизмам ради спасения не обязательно изобретать способы борьбы с лекарством — достаточно просто задержаться в латентной фазе и потом продолжить беззаботное существование. В основе обоих путей борьбы с антибиотиками лежат мутации, но толерантность позволяет лишь переждать неблагоприятные условия, а резистентность — справиться с ними раз и навсегда.

Единого мнения о том, как именно на эволюцию резистентности влияют толерантные штаммы, у научного сообщества до сих пор нет.

Чтобы разобраться в этом вопросе, ученые взяли кишечную палочку и устроили эволюцию в лабораторном масштабе. Для этого культуры помещали в питательную среду с высокой, но сопоставимой с терапевтическими дозами концентрацией ампициллина. Через 4,5 часа клетки возвращали в среду с небольшой, в сто раз меньшей, концентрацией антибиотика, где они восстанавливались и нарастали в течение ночи. Затем клетки ночной культуры снова высевали на среду с высокой концентрацией и повторяли цикл до тех пор, пока у бактерий не выработалась резистентность.

Эффект от возникших толерантных мутаций оценивали по проценту колоний, находившихся в латентной фазе дольше 4,5 часов, а эффект резистентных — по минимальной концентрации антибиотика, ингибирующей рост бактерий (МИК).

В результате, когда ученые добились резистентности, МИК оказалась по меньшей мере в семь раз выше по сравнению со значением для обычных популяций. Последующий геномный анализ устойчивых культур показал, что все они приобрели усиливающие экспрессию мутации промоторной области гена ampC, который кодирует разрушающий ампициллин фермент.

При дальнейшем анализе ученые обнаружили, что уже после 3-4 циклов эксперимента большинство бактерий даже на нормальной среде демонстрируют отложенный рост — ту самую задержку в латентной фазе. При этом свидетельствующая о развитии резистентности МИК начинает расти существенно позже — между 7 и 17 циклом. Не объясненным оставалось только как именно происходит переход между обычной популяцией и резистентной — через толерантную или напрямую.

Генетический анализ показал, что обладатели резистентных мутаций в ampC несут также и мутации, приводящие к толерантности, причем последние появились раньше, а значит резистентность возникла на фоне толерантности. Более того, оказалось, что на ее фоне резистентность развивается гораздо быстрее. Причина, судя по всему, в том, что при таком цикличном протоколе возможность возникновения и закрепления мутаций зависит от двух ключевых моментов — вероятности возникновения мутации как таковой и вероятности того, что тот, у кого она возникла, пережил воздействие антибиотика. К тому же приводящие к толерантности мутации возникают чаще — хотя бы потому, что могут происходить во многих местах генома, в то время как резистентные ограничены зоной промотора гена ampC.

Вероятно, большее число толерантных особей создает потенциал, дающий преимущество для возникновения редких резистентных мутаций. Иными словами, толерантность способствует возникновению мутаций резистентности тем, что снижает вероятность потерять их. Ученые посчитали, что при выбранной схеме эксперимента переход от обычной популяции к резистентной напрямую, минуя толерантную, состоялся бы более чем через 100 циклов (против 17, наблюдавшихся в эксперименте).

В свете новых данных механизм приобретения полной резистентности представляется следующим образом — часто происходящие мутации приносят в популяцию толерантность, которая более чем на порядок увеличивает выживаемость, а следующие за ними более узконаправленные мутации в ampC существенно повышают МИК, увеличивая выживаемость еще сильнее. Особенно важно то, что происходит это даже при очень высоких концентрациях антибиотика — толерантность позволяет закрепиться частичной резистентности, которая затем легко переходит в полную.

В целом, значимая для развития резистентности роль толерантности открывает возможность использовать ее в разработке новых подходов лечения, препятствующих возникновению устойчивости.

Юрий Солюс