Дезинфицирующие средства вызывают у бактерий окислительные повреждения, но одна мутация запускает экспрессию генов, которые помогают микроорганизмам выжить.
Дезинфицирующие средства, такие как отбеливатели, кислоты, фенолы и спирты, - важное оружие в борьбе с инфекционными заболеваниями. Во время пандемии COVID-19, когда коронавирус свирепствовал по всему миру, эксперты рекомендовали дезинфицировать часто соприкасающиеся поверхности, чтобы предотвратить передачу вируса. Несмотря на это, ученые не до конца понимают, как эти соединения убивают микробы и как микробы становятся толерантными к ним.
Исследовательская группа под руководством Ксилин Чжао из Сямэньского университета (Китай) обнаружила, что мутация в ферменте Escherichia coli помогает бактерии выжить под воздействием дезинфицирующих средств. Результаты исследования, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, дают представление о том, как бактерии развивают толерантность к дезинфицирующим средствам и указывают на гены, которые можно исследовать на предмет устойчивости к дезинфицирующим средствам у патогенов.
Для начала исследователи использовали штамм E. coli, созданный с мутацией в гене, участвующем в системе фосфотрансферазы углеводов (PTS), что обусловливает устойчивость бактерии к некоторым дезинфицирующим средствам, включая фенолы. Хотя первоначальное воздействие фенола уничтожило многих мутантов ptsI, некоторые из бактерий выжили после последующей обработки. Секвенирование генома бактерий, устойчивых к фенолу, выявило мутацию в субъединице фермента фенилаланин-тРНК-синтетазы (PheS), которая необходима для синтеза белка. Эта мутация приводила к замене аминокислоты фенилаланина на цистеин в 158-й позиции белка (F158C). Внедрение мутации pheS F158C в E. coli дикого типа с помощью инструментов редактирования CRISPR/Cas9 сделало их толерантными к нескольким другим дезинфицирующим средствам.
Когда Чжао и его коллеги заменили фенилаланин на другие аминокислоты, помимо цистеина, они обнаружили, что мутанты по-прежнему выдерживают воздействие фенола, что говорит о том, что признак зависит от конкретного положения, а не от аминокислот. Исследователи предположили, что мутация в 158-й позиции может снижать способность PheS распознавать свой субстрат, фенилаланин. Это имитирует условия фенилаланинового голодания, которые могут вызвать накопление алармонов - сигнальных молекул «антисмерти», вырабатываемых бактериями в ответ на такой стресс. Одним из алармонов, связанных с устойчивостью к противомикробным препаратам, является гуанозин-пентафосфат (ppGpp). Введение мутации в штамм E. coli, который не может синтезировать ppGpp, устраняет устойчивость к фенолу, подтверждая, что мутация действует через алармон.
Дальнейшие эксперименты показали, что алармон запускает каскад событий, который приводит к транскрипции генов, подавляющих реактивные формы кислорода (ROS), вызывающие гибель бактерий. В соответствии с этим Чжао и его коллеги заметили, что воздействие дезинфицирующих средств вызывает резкий рост уровня ROS в E. coli, и что этот рост снижается в мутантном штамме. Наконец, исследователи изучили клиническое значение своих результатов. Когда они ввели мутацию F158C в PheS патогенной Klebsiella pneumoniae и энтерогеморрагической E. coli, штаммов бактерий, которые обычно вызывают заболевания у людей, мутанты проявили толерантность к дезинфицирующим средствам.
Последующие исследования должны изучить, приводят ли мутации в других аминоацил-тРНК-синтетазах к подобной устойчивости бактерий к дезинфицирующим средствам и участвуют ли другие клеточные механизмы в обеспечении этого эффекта, отмечают авторы.
