Уровни активности транспозонов обеспечивают отбор, необходимый для распространения резистентности к антибиотикам от диких микроорганизмов к патогенам человека.
Биомедицинские инженеры из Университета Дьюка считают, что они обнаружили физический механизм, который приводит к тому, что высокие дозы антибиотиков способствуют распространению резистентности бактерий к антибиотикам. Виновником, по их мнению, является избыток "прыгающих генов", называемых транспозонами, которые переносят генетические инструкции по резистентности из исходного кода клетки в плазмиды, перемещающиеся между клетками. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Ecology & Evolution.
"Существует множество доказательств того, что человеческие патогены, вероятно, приобретают резистентность к антибиотикам от других видов, живущих в естественной среде", - говорит Лингчонг Юй, профессор биомедицинской инженерии в Дьюке. "Интуитивно понятно, что высокие уровни антибиотиков в этих средах способствуют переходу генов резистентности из хромосом в плазмиды, чтобы они могли распространяться, но этот механизм никогда не проверялся напрямую. В этом и заключается наша работа".
Не секрет, что рост резистентности к антибиотикам у человеческих патогенов совпал с ростом использования антибиотиков в крупных отраслях промышленности, таких как сельское хозяйство. Хотя гены, обеспечивающие резистентность, появились у этих патогенов относительно недавно, некоторые из них появились миллионы лет назад у бактерий, живущих в определенных диких экосистемах. В сочетании с экспериментами, показывающими, что высокие уровни антибиотиков способствуют распространению резистентности как внутри видов бактерий, так и между ними, легко сделать вывод, что человеческие патогены приобрели эти гены резистентности из окружающей среды в результате повышения уровня антибиотиков в ней.
Хотя причина и следствие кажутся очевидными, исследования так и не позволили точно установить основные механизмы. Ученые знают, что небольшие, свободно плавающие участки ДНК, называемые плазмидами, переносят гены резистентности между клетками. Однако исследования показали, что присутствие антибиотиков не увеличивает скорость, с которой плазмиды осуществляют обмен генами. Что же тогда, спрашивают исследователи, является фундаментальной силой, движущей этот естественный отбор?
В новой работе Юй и коллеги показали, что этим таинственным механизмом может быть опосредованный антибиотиками отбор "прыгающих генов", называемых транспозонами, которые переносят гены резистентности из хромосом клетки в плазмиды. Эксперименты Юй были разработаны для проверки этого возможного пути, который объясняет, как различные патогены на самом деле получают резистентность от экологических видов и он продемонстрировал, что это не только возможно, но и очень вероятно.
Транспозоны - это крошечные фрагменты ДНК, которые постоянно перемещаются внутри клетки. Они могут перепрыгивать с места на место в центральной генетической базе данных клетки, они могут перепрыгивать из базы данных ДНК в более крупные плазмиды, способные перемещаться между клетками, или наоборот. Это может привести к появлению хромосом или плазмид, содержащих множество копий одного и того же генетического чертежа.
В серии экспериментов Юй подвергал клетки, резистентные к различным видам антибиотиков, воздействию различных концентраций этого антибиотика. По мере увеличения концентрации неизменно наступал момент, когда клетки, несущие плазмиды с большим количеством копий генов резистентности, начинали превосходить своих собратьев. "Все характеристики выглядели почти одинаково", - рассказывает Юй. "На самом деле удивительно, насколько устойчива была эта тенденция".
Исследователи говорят, что количество копий транспозонов на плазмидах влияет на то, сколько белков резистентности к антибиотикам производит клетка. Это производство сопряжено с энергетическими затратами, и только когда количество антибиотиков достигает определенного уровня, дополнительные затраты энергии становятся важным фактором.
Однако неясно, вызывают ли более высокие уровни антибиотиков непосредственную активность транспозонов резистентности в этих клетках. Скорее, это свидетельствует о том, что если прыжки транспозонов уже происходят, то отбор антибиотиков всегда будет обогащать популяцию, содержащую гены резистентности, которые перешли на плазмиды. По словам исследователей, уровень антибиотиков, необходимый для начала такого отбора, сильно варьирует в зависимости от вида и конкретных препаратов. Но этот диапазон не является редкостью в современной природной среде, что потенциально обеспечивает давление, необходимое для того, чтобы человеческие патогены подбирали гены резистентности с большей регулярностью.
"Сейчас мы работаем над тем, чтобы доказать, что эта динамика активно происходит в реальной среде, например, в клиниках, а не только в чашке Петри", - сообщил Юй. "Мы также хотим посмотреть, сможем ли мы использовать эти знания для избирательного регулирования потока генов, чтобы оптимизировать бактерии, созданные для промышленного использования".
