Новое исследование, опубликованное 17 ноября в Nature, показал, что бактерии могут переходить в состояние, которое позволяет им избежать воздействия некоторых антибиотиков.
Антибиотики могут действовать по-разному и направлены на различные части бактериальной клетки. Они могут быть нацелены на клеточную стенку или нарушать нормальное функционирование бактерии или его способность к размножению. В последнем случае задача иммунной системы может заключаться в полном уничтожении инфекции. Но когда бактерии подвергаются стрессу, например, при воздействии антибиотиков, они могут перейти в "изменное" состояние и начать функционировать совсем не так, как обычно.
Исследование показало, что когда бактерии находятся в таком состоянии, они становятся невосприимчивыми к действию антибиотиков, и их генная активность изменяется. Когда непатогенные Escherichia coli подвергались воздействию химического вещества SHX, они испытывали внезапный стресс, что давало им мало времени для реагирования. После удаления химиката исследователи обнаружили, что бактериальные клетки по отдельности восстанавливались с разной скоростью. Некоторым потребовался час, чтобы прийти в норму, а другим - день. Время восстановления также зависело от количества SHX, которому подверглись клетки. Но как только бактерии восстанавливались они даже могли размножаться.
Предыдущие работы этой исследовательской группы показали, что при голодании бактерии впадают в состояние покоя и могут восстановиться, если попадут в среду с питательными веществами. Эти так называемые персистирующие бактерии отличаются от резистентных бактерий, которые несут ген или генетическую мутацию, позволяющую им избегать воздействия антибиотика. Биологические механизмы, лежащие в основе персистенции, до сих пор недостаточно хорошо изучены.
Yoav Kaplan et al. Наблюдение универсальной динамики старения клеток при персистенции антибиотиков (аннотация).
Стрессовые реакции позволяют клеткам адаптироваться к изменениям внешних условий путем активации специфических механизмов. В данном исследовании мы изучили динамику одиночных клеток, подвергшихся острому стрессу, который слишком силен для регулируемого ответа, но не смертелен. Мы показываем, что когда рост бактерий останавливается в результате острого преходящего воздействия сильных ингибиторов, статистика динамики их роста может быть предсказана моделью клеточной сети, которая игнорирует большинство особенностей основных молекулярных взаимодействий.
Мы наблюдали, что один и тот же стресс, действующий резко или постепенно, может привести к совершенно разной динамике восстановления. Измеряя динамику восстановления после стресса на тысячах клеток, мы показали, что модель может предсказать результат резистентности к антибиотикам. Наши результаты могут объяснить повсеместное распространение фенотипа резистентности к антибиотикам, а также трудности в попытках связать его с конкретными генами.
В более общем смысле наш подход предполагает, что при стрессе можно наблюдать два различных клеточных состояния: регулируемое состояние, которое готовит клетки к быстрому восстановлению, и нарушенное клеточное состояние, вызванное острым стрессом, с медленной и неоднородной динамикой восстановления. Нарушенное состояние может быть описано общими свойствами больших случайных сетей, а не специфической активацией путей. Лучшее понимание нарушенного состояния может пролить новый свет на выживание и эволюцию клеток в условиях стресса.
