Истоки широкой лекарственной устойчивости нашли у не связанных с человеком бактерий
Японские молекулярные биологи исследовали белок-транспортер на поверхности гемофильной палочки — известного возбудителя пневмонии — и выяснили, что этот белок способен выкачивать из клетки бактерии самые разные антибиотики, то есть является предвестником широкой лекарственной устойчивости. В то же время гемофильная палочка бессильна против желчных кислот — то есть у нее нет приспособлений для жизни в кишечнике. Значит, широкая устойчивость к антибиотикам возникла задолго до того, как бактерии поселились в организме человека. Работа опубликована в журнале Communications Biology.
У грамотрицательных бактерий (с утолщенной клеточной стенкой) есть несколько способов уклониться от атаки антибиотиков: можно не впускать их внутрь клетки, заблокировать их работу или изменить течение тех внутриклеточных реакций, на которые они нацелены. Но широкая лекарственная устойчивость, при которой на клетку не действуют сразу несколько классов антибиотиков, возможна только в одном случае: если бактерия производит насос, который откачивает все подозрительные молекулы из клетки.
Мартин Цвама (Martijn Zwama) и его коллеги из Университета Осаки исследовали белковый насос у грамотрицательной бактерии Haemophilus influenzae — бактерию, которую описали когда-то как возбудитель гриппа, хотя позже выяснилось, что вызывает она только пневмонию. Сама по себе гемофильная палочка не обладает широкой лекарственной устойчивостью и обычно поддается терапии антибиотиками из группы 𝛽-лактамов (к которым, в частности, относится пенициллин). Тем не менее, на поверхности клеток этой бактерии исследователи обнаружили насос AcrB-Hi, способный выкачивать антибиотики из клетки.
Ученые сравнили ArcB-Hi с другим белковым транспортером — ArcB-Ec — который хорошо изучен у кишечной палочки Escherichia coli. Оказалось, что по аминокислотному составу они похожи примерно на треть. Затем исследователи взяли последовательности еще 393 аналогичных белков у грамотрицательных бактерий и построили филогенетическое дерево. Оказалось, что насосы у гемофильной и кишечной палочек крайне далеки друг от друга, и насос кишечной палочки эволюционно самый молодой.
Тем не менее, по свойствам два белка-транспортера оказались похожи. ArcB-Ec не специфичен и позволяет выбрасывать из клетки самые разные вещества — не только антибиотики, но также красители, детергенты и желчные кислоты. ArcB-Hi тоже смог избавить клетку от антибиотиков и красителей, правда, с меньшей эффективностью. А вот против солей желчных кислот насос гемофильной палочки оказался бессилен.
Таким образом, ученые обнаружили, что широкая лекарственная устойчивость появилась еще у общего предка гемофильной и кишечной палочек. Тем не менее, древние белки-транспортеры неспособны справиться с желчными кислотами, которые постоянно присутствуют в кишечнике человека. Это значит, что множественная устойчивость появилась до того, как бактерии поселились в нашем организме, а использование антибиотиков лишь ускорило ее распространение.
Зачем бактериям понадобился насос ArcB в отсутствие антибиотиков, исследователям пока неизвестно. Они предполагают, что у него могла быть другая физиологическая роль: например, он мог помогать выбрасывать из клетки сигнальные молекулы, с помощью которых бактерии регулируют жизнедеятельность своих соседей.
От редактора
В изначальной версии статьи гемофильная палочка была ошибочно названа возбудителем гриппа. На самом деле, так считали только в самом начале ее изучения, сейчас же она известна как возбудитель пневмонии. Редакция приносит свои извинения.
Устойчивость бактерий к антибиотикам распространяется очень быстро, быстрее, чем новые антибиотики появляются на рынке. Например, на то, чтобы добраться из Индии в Арктику, гену устойчивости к карбапенемам — группе антибиотиков последнего поколения — понадобилось всего несколько лет.
Полина Лосева
Впрочем, лишь на 4-6 дней
Европейские микробиологи обнаружили у почвенной бактерии Bacillus subtilis способность к хранению информации о смене дня и ночи. Если содержать бактерий в условиях 24-часовых суток, то у них устанавливался суточный цикл экспрессии ytvA — белка, чувствительного к синему свету. После смены режима освещения перестройка экспрессии ytvA происходила не мгновенно: признаки предыдущего цикла «день-ночь» сохранялись еще 4-6 дней. Чем ярче был свет днем, тем короче становился период колебаний экспрессии ytvA после перехода с режима «день-ночь» на полную темноту — так же ведут себя и некоторые циркадные ритмы человека. Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Наиболее хорошо изучены циркадные ритмы, регулирующие поведение, рост и развитие эукариот. Но похожие внутриклеточные сигнальные пути описаны и у фотосинтетических прокариот, для метаболизма которых освещенность критически важна. Более того — в последние годы следы похожих систем находят в геномах и протеомах архей и бактерий, неспособных к фотосинтезу. Пока неизвестно, как устроены и для чего нужны такие системы прокариотам, неспособным к фотосинтезу. Марта Мерров (Martha Merrow) с коллегами-микробиологами из университетов Дании, Нидерландов, Великобритании и Германии описали циркадный ритм, связанный с регуляцией ответа на стресс у сапрофитной почвенной бактерии Bacillus subtilis. У бактерии есть несколько разновидностей фоточувствительных пигментов, от которых сигнал через цепочку посредников сходится на белках семейства Rsb. Они влияют на экспрессию более 200 генов, опосредующих ответ на осмотический, температурный, окислительный стресс и на действие антибиотиков. Основной пигмент, отвечающий за детекцию синего света у B. subtilis — белок ytvA. Ученые получили два штамма «дикого типа» B. subtilis и модифицировали их таким образом, чтобы бактерии синтезировали люциферазу вместе с белком ytvA (таким образом, клетки флуоресцируют прямо пропорционально уровню экспрессии ytvA). На первом этапе микробиологи в течение пяти суток растили культуры бактерий в условиях двенадцатичасового дня (монохроматический синий свет с длиной волны 450 нанометров) и двенадцатичасовой ночи (полная темнота). После того, как бактерии «привыкали» к такому режиму, их на неделю оставляли в темноте. Как и ожидали ученые, в первой фазе эксперимента активность ytvA падала спустя полчаса после включения синего света и плавно нарастала в темное время суток. Но во второй фазе колебания не исчезли, а их период растянулся до 29,4-30,2 часов, в зависимости от штамма. У культур B. subtilis, выросших без света, тоже были обнаружены колебания экспрессии ytvA с периодом 26-31 дня. Затем ученые решили посмотреть, как меняется активность ytvA при изменении продолжительности цикла «день-ночь». Как и в первой части экспериментов, сначала бактерии росли в условиях двенадцатичасовых периодов света и темноты. Но через пять дней ученые сокращали цикл в два или три раза. Поначалу после смены режима у бактерий сохранялся 24-часовой паттерн экспрессии ytvA, а рост активности гена в ответ на дополнительные периоды тьмы был менее выраженным. Но уже спустя пять дней бактерии «переучивались» на новый режим света и тьмы. Во время эксперимента ученые обнаружили у бактерий эффект, описанный в хронобиологии как «правило Ашоффа»: чем больше интенсивность освещения днем, тем короче становятся циркадные циклы в темноте у дневных организмов. При росте освещенности с 0,1 до 60 микроэйнштейнов на квадратный метр в секунду период колебаний падал в среднем с 27,5 ± 1,9 до 24,1 ± 0,7 часа. Ранее правило Ашоффа было описано в экспериментах на птицах и арабидопсисе, но не у прокариот. Открытие микробиологов показывает: сложно устроенные и зарегулированные циркадные ритмы распространены шире, чем считалось ранее. Впрочем, пока неизвестны белки, управляющие экспрессией фоточувствительного ytvA, и неясно, какие эволюционные преимущества дает бактериям такая регуляция. Авторы предполагают, что фоторецепторы, активирующие ответ на стресс, могут быть нужны почвенным организмам для регуляции для снижения интенсивности метаболизма на большой глубине. Подробнее о циркадных ритмах у представителей разных царств живой природы читайте в нашем материале «Ход часов лишь однозвучный», а о роли синего света в их регуляции — в материале «Только синь сосет глаза».