Плазмиды и распространение генов резистентности к антибиотикамПлазмиды и распространение генов резистентности к антибиотикам
Хотя использование антибиотиков является одной из самых значительных инноваций человечества, их эффективность постоянно снижается из-за коварства их микробных мишеней.
Как только одна бактерия мутирует и становится резистентной к антибиотикам, она может передать эту резистентность другим бактериям вокруг себя посредством процесса, известного как горизонтальный перенос генов. Одним из основных способов переноса генов между бактериями являются небольшие кольцевые фрагменты ДНК, или плазмиды. Плазмиды могут передаваться через прямой физический контакт между бактериями в процессе, известном как конъюгация, который помогает бактериям делиться генами резистентности к антибиотикам со своими соседями.
Хотя конъюгация хорошо изучена на молекулярном уровне, то, как она происходит в среде, в которой бактерии живут на самом деле, а не в лаборатории, гораздо менее понятно. Один особенно распространенный возбудитель желудочно-кишечных заболеваний, Salmonella enterica серовар Typhimurium, представляет особый интерес для изучения обмена генами резистентности, поскольку он образует в организме своих хозяев так называемые персистерные резервуары. В этих случаях клетки, устойчивые к антибиотикам, скрываются в тканях кишечника или других органов после инфекции и мигрируют обратно в просвет кишечника, чтобы вызвать повторное заражение после того, как воздействие антибиотиков прекратится.
Поскольку S. Typhimurium часто встречается с другими бактериями кишечника, обмен плазмидами и распространение генов резистентности вызывают реальную озабоченность. Исследование, недавно опубликованное в журнале Journal of Bacteriology, показало, что штамм S. Typhimurium SL1344 делится своими плазмидами с другими бактериями при помощи другой плазмиды. Исследование, проведенное под руководством ученых из ETH Zurich в Швейцарии, было посвящено плазмиде, которая кодирует гены резистентности к стрептомицину и сульфаниламидам и называется сокращенно P3. Однако у P3 отсутствуют гены для механизма конъюгации, поэтому для перемещения между клетками ей необходима "вспомогательная" плазмида; у S. Typhimurium эта вспомогательная плазмида известна как P2.
На уровне сиквенсов P3 очень похожа на другую плазмиду, известную как pRSF1010, которая имеет широкий спектр хозяев, то есть может реплицироваться в самых разных видах бактерий. Таким образом, исследователи предположили, что P3 может передаваться от S. Typhimurium к различным видам бактерий в кишечнике млекопитающих, потенциально распространяя при этом гены резистентности к антибиотикам. Гипотеза была проверена на мышах.
Сначала мышей заражали одним из видов бактерий-реципиентов, включая представителей кишечной флоры человека, а через 24 часа - S. Typhimurium. Затем исследователи отслеживали рост как реципиентов, так и S.Typhimurium, а также частоту передачи P3, анализируя фекалии мышей в течение 3 дней. Они определили, что передача P3, опосредованная P2, происходит между S. Typhimurium и 4 реципиентами, принадлежащими к классу гаммапротеобактерий, представляющих как комменсалов кишечника, так и бактерий, ассоциированных с растениями.
В целом, P3, по-видимому, очень легко распространяются среди различных бактерий, как в кишечнике млекопитающих, так и за его пределами. Однако исследователи не ожидали, что плазмиды будут передаваться при отсутствии воздействия антибиотиков, поскольку бактериям не выгодно иметь гены резистентности. Они были удивлены своими результатами. "Для меня самым поразительным было то, что... плазмиды поглощались другими бактериями даже без селективного давления [антибиотиков]", - рассказывает Марла Гайсмайер, первый автор исследования. "Я даже не пробовала подвергать бактерии действию стрептомицина, так что не было прямого видимого преимущества, связанного с поглощением плазмид".
Однако остается неясным, сохраняется ли P3 в организме реципиентов в течение длительного времени и почему она вообще передается даже если она не приносит бактериям прямой пользы. Это известно как "парадокс плазмиды", для которого было предложено несколько решений. Например, плазмида может нести неизвестные преимущества помимо резистентности к антибиотикам. Действительно, недавнее исследование с использованием других плазмид, обладающих широким спектром резистентности, показало, что они могут иметь широкий спектр эффектов для различных реципиентных штаммов, причем некоторые из них получают выгоду от сохранения плазмид. В качестве альтернативы, плазмиды могут действовать как чисто "эгоистичная ДНК", заботясь только о собственном сохранении и репликации.
Было установлено, что конъюгативный перенос плазмид также может быть закреплен неантибиотическими фармацевтическими препаратами, такими как некоторые болеутоляющие средства и бета-блокаторы. В исследовании 2022 года ученые обнаружили, что такие распространенные препараты, как ибупрофен и пропранолол, могут ускорить передачу плазмиды RP4, обладающей широким спектром мультирезистентности, от Pseudomonas putida до филогенетически различных бактерий в активном иле. Исследователи также показали, что избыточная продукция реактивных форм кислорода бактериями в присутствии фармацевтических препаратов, вероятно, способствовала усилению конъюгативной активности.
Руководства по передовым практикам призывают к сокращению использования и злоупотребления антибиотиками как в клинических, так и в сельскохозяйственных условиях, чтобы уменьшить селективное давление для передачи генов резистентности. Поэтому распространение таких плазмид, как P3 и RP4, в отсутствие такого давления вызывает беспокойство, так как предполагает, что сокращения использования антибиотиков и загрязнения окружающей среды может быть недостаточно для сдерживания роста резистентности.
"Это означает, что устойчивость к антибиотикам может распространяться даже тогда, когда антибиотики не задействованы", - пояснил Гайссмайер, - "это пугающая мысль".
В целом, исследования, изучающие механизмы и динамику передачи плазмид между бактериями, жизненно важны. Понимая, где, как и насколько часто происходит обмен плазмидами, мы сможем продолжить поиск и разработку решений для новых патогенов с множественной лекарственной резистентностью, а также оценить риски и управлять постоянно растущими популяциями устойчивых к антибиотикам патогенов в мире. Более того, мы также можем понять, что делает плазмиды "пригодными для совместного использования", и даже как остановить конъюгацию, чтобы сдержать распространение резистентности к антибиотикам. Знаменитая фраза Сунь-Цзы - "знай своего врага" - приобретает новый смысл перед лицом кризиса резистентности к противомикробным препаратам.
