С тех пор как в 1676 году Антоний ван Левенгук открыл бактерии, люди пытаются классифицировать микробы, с которыми мы живем рядом.
Многие из них безвредны для нас и даже полезны, но больше всего наше воображение будоражат патогены - те, которые способны вызывать заболевания. К сожалению, появление новых патогенов для человека - это практически постоянная угроза, самым свежим примером которой является SARS-CoV-2. Из-за того, что они могут разрушить наше здоровье, понимание того, как и почему появляются патогенные микробы, важно как никогда.
Разгадка чрезвычайно сложного процесса появления патогенов имеет большое значение для контроля и предотвращения вспышек. К счастью, мы располагаем лучшими возможностями для изучения этого процесса, чем когда-либо, благодаря постоянно расширяющемуся спектру молекулярных методов, которые позволяют получать большие, сложные массивы данных, отражающие все тонкости их объектов. Эти методы также могут способствовать существующим усилиям по отслеживанию патогенов, таким как эпиднадзор, который революционизируется благодаря подходам "больших данных", включая эпидемиологическое моделирование и метагеномику.
Однако патоген - это не остров. Напротив, микроорганизмы населяют чрезвычайно сложную среду обитания - от почвы до водных пространств и человеческого организма. Эти среды оказывают различные виды давления, включая взаимодействие с другими микробами и неизбежные абиотические факторы - все они влияют на физиологию и поведение микроорганизмов. Изучая микробы в контексте этих разнообразных давлений, мы можем начать раскрывать, как экологические факторы в естественной среде обитания патогена могут помочь или помешать его эволюции и появлению.
Резистентные к антимикробным препаратам патогены идут по пути наименьшего сопротивления
Одним из основных классов человеческих патогенов являются бактерии, резистентные к антибиотикам. Невосприимчивые ко многим распространенным антибиотикам, эти микробы вызывают инфекции, которые очень трудно поддаются лечению. Кроме того, они могут легко передавать мобильные гены резистентности другим бактериям, способствуя распространению резистентности. Около 20% инфекционных заболеваний, возникших в период с 1940 по 2004 год, возникли из-за резистентности к антибиотикам, а по прогнозам, к 2050 году резистентные инфекции будут уносить до 10 миллионов жизней в год.
Хотя чувствительность к антибиотикам обычно оценивается с помощью исследований отдельных видов, становится все более очевидным, что экологические взаимодействия между микробами нельзя упускать из виду. Взаимодействие между микроорганизмами в локализованной среде может существенно повлиять на эволюцию резистентности и изменить концентрацию антибиотиков, необходимую для лечения инфекций. В результате изучение появления резистентных патогенов в их естественной среде обитания имеет решающее значение, поскольку именно там происходит отбор на формирование резистентности или против нее.
Одной из таких сред обитания является кишечник млекопитающих, микробные сообщества которого хорошо известны своим бесчисленным благотворным влиянием на здоровье хозяина, от переваривания жестких растительных волокон до защиты от инфекций. Однако в животноводстве широко применяются антибиотики, что делает сельскохозяйственных животных и производимые ими отходы очагами резистентных к антибиотикам патогенов. В одном из исследований изучались микробные сообщества, обнаруженные в фекалиях свиней, чтобы проверить, как нахождение в таком сообществе влияет на реакцию Escherichia coli на антибиотики. Было установлено, что преимущества микробиоты кишечника, по-видимому, распространяются и на подавление резистентности к антибиотикам. В присутствии сообщества конкурентное преимущество резистентности к антибиотикам у E. coli снижалось, то есть не резистентные штаммы были более жизнеспособны, чем при выращивании E. coli вне сообществ. Как именно это происходило, зависит от тестируемого препарата.
В данном конкретном исследовании ученые протестировали гентамицин и канамицин, два широко используемых антибиотика, и заметили, что резистентность к гентамицину сопровождалась небольшими конкурентными издержками. Эта цена увеличивалась в присутствии сообщества, поскольку конкуренция за питательные вещества усиливалась, что препятствовало росту резистентных штаммов. Однако сообщество не оказывало такого же эффекта, когда антибиотиком выбора был канамицин, поскольку в его присутствии небольшие затраты, связанные с резистентностью, не возрастали. Вместо этого сообщество, по-видимому, защищало E. coli от канамицина с помощью неизвестного механизма, эффективно снижая селективное давление на формирование резистентности. Авторы предположили, что члены сообщества могли модифицировать антибиотик, чтобы сделать его безвредным, - процесс, о котором также сообщалось в животных моделях пневмонии.
В целом, подобные исследования подчеркивают важность изучения патогенов в условиях, отражающих хотя бы часть сложностей их обычного окружения, чтобы лучше понять и смягчить возникновение патогенов. Фактически, подавление эволюции резистентности сообществом наблюдается и в микробных сообществах кишечника человека. Таким образом, одним из способов снижения риска появления резистентных патогенов после лечения антибиотиками может быть использование антибиотиков узкого спектра действия, которые должны помочь сохранить здоровую микробиоту, избирательно уничтожая патогены.
Патогены, появляющиеся на пластике
Другой средой обитания, которая может быть "горячей точкой" для патогенов, является среда обитания микроорганизмов, связанных с пластиком, также известная как "пластисфера". Это чисто антропогенная микробная среда обитания, возникшая благодаря повсеместному загрязнению окружающей среды пластиком. Во всем мире объем пластиковых отходов фактически превышает годовое производство пластика, поскольку мы постоянно выбрасываем пластик, как недавно произведенный, так и оставшийся с прошлых лет.
Помимо запутывания и проглатывания крупными организмами, загрязнение пластиком может также влиять на микробные сообщества в почве и водных ресурсах. В частности, пластик может накапливать сообщества, которые отличаются от сообществ в окружающей среде. В ходе исследования пластикового загрязнения в почве, засеянной пшеницей, ученые выявили несколько потенциальных грибковых патогенов растений, которые, несмотря на низкую численность в окружающей почве, доминировали в сообществе пластисферы. Это наблюдение позволило им предположить, что пластисфера может выступать в качестве резервуара грибковых патогенов в почве; такое же явление наблюдается и с бактериальными патогенами в загрязненной пластиком почве и водной среде.
Эти связанные с пластиком агрегации, или биопленки, объединяют большое количество бактерий в тесном пространстве, способствуя таким процессам, как горизонтальный перенос генов (ГПГ) между ними. Было доказано, что бактерии, живущие на микропластике, осуществляют ГПГ чаще, чем бактерии, не находящиеся на пластике, и бактерии, живущие в агрегатах, состоящих из органического вещества. ГПГ может способствовать распространению генов, обеспечивающих повышенную вирулентность и патогенность, включая резистентность к антибиотикам, даже в отсутствие селективного давления и между отдаленно родственными видами бактерий.
Почему пластисферы обогащаются патогенными микробами, до конца не ясно. Однако есть основания полагать, что наличие определенных генетических элементов облегчает бактериям колонизацию микропластика. Например, мобильная плазмида под названием RP4, по-видимому, способствует колонизации, поскольку кодирует конъюгативные пили - микроструктуры, выступающие из клеточной мембраны, которые бактерии могут использовать для прикрепления к поверхности пластика. Помимо пилий, RP4 также кодирует резистентность к нескольким антибиотикам, что подчеркивает ее потенциал для создания патогенов с множественной лекарственной резистентностью при передаче среди бактерий пластисферы.
Повсеместное загрязнение пластиком в сочетании с обогащением патогенов в пластисфере позволяет предположить, что эта проблема может быть более распространенной, чем мы предполагаем. В конечном итоге, мы еще очень мало знаем о том, как пластиковое загрязнение влияет на микробные сообщества в окружающей среде, и как оно может привести к появлению новых патогенов человека. К счастью, это активная область исследований, и важность таких исследований будет только возрастать по мере того, как мы будем решать проблему пластиковых отходов.
Рай для патогенов
Многие патогены начинают свою жизнедеятельность на открытом воздухе, даже в отсутствие пластика, но не все среды могут быть одинаковыми, когда речь идет о предпочтительном месте обитания патогена. Например, различные штаммы "плотоядной" бактерии Vibrio vulnificus предпочитают различные типы эстуарной среды, что может помочь объяснить, почему одни из них являются патогенными, а другие - нет. Некоторые штаммы V. vulnificus являются исключительно смертоносными патогенами, летальность от инфекции достигает 50%. Их называют штаммами C1, и они вызывают тяжелую, часто смертельную септицемию, когда бактерии из инфицированной раны попадают в кровь. Однако на самом деле бактерии не питаются плотью - их название происходит от внешнего вида инфекции, которая вызывает гибель клеток вокруг раны и приводит к образованию волдырей на коже.
Изучение окружающей среды может помочь нам выяснить, откуда берутся смертельно опасные штаммы V. vulnificus. Когда исследователи взяли пробы на наличие V. vulnificus в двух местах в лагуне Индиан-Ривер, большом эстуарии в восточной части Флориды, где часто происходят вспышки, они обнаружили большое количество штаммов C1 только в одном месте, а в другом преобладали более доброкачественные штаммы C2. Объединив арсенал молекулярных методов, они попытались понять, могут ли особенности окружающей среды дать ключ к разгадке причин обогащения смертельно опасных штаммов C1 в определенных местах.
Исследователи объединили данные, описывающие географическое разделение штаммов, с экологической информацией о двух участках, включая абиотические параметры, такие как температура воды, соленость и содержание питательных веществ, а также разнообразие других присутствующих микробов. Они обнаружили, что патогенные штаммы C1 предпочитают среду с низким содержанием питательных веществ и высокой соленостью, с разнообразным сообществом других бактерий. В то же время штаммы C2 предпочитают богатую питательными веществами солоноватую среду с меньшим разнообразием других бактерий.
Эти среды, вероятно, оказывают уникальное давление, которое, по мнению ученых, может привести к эволюции штаммов V. vulnificus с широким спектром патогенных возможностей. Как именно это происходит, пока неизвестно, отчасти из-за сложности изучения взаимодействия микроорганизмов в окружающей среде по сравнению с контролируемыми лабораторными исследованиями. Тем не менее, ассоциации между смертоносными штаммами и конкретными экологическими условиями обеспечивают общую основу для изучения возникновения патогенов в других окружающих условиях и демонстрируют, что изучение того, откуда берутся патогены, может быть очень плодотворным.
Когда речь заходит о "родном доме", патогены действительно не являются исключением. От свиных кишок до пластисфер и лагун, изучение мест, где живут и действуют патогены, может многое рассказать нам о том, почему они такие, какие они есть, и что мы можем сделать, чтобы минимизировать ущерб, который они могут нанести. В целом, от управления новыми инфекциями до решения растущей проблемы резистентности к антибиотикам, подход к исследованию патогенов с учетом контекста будет иметь решающее значение для борьбы с многочисленными проблемами, которые патогенные микробы создают для своих хозяев.
