Рибосомо-связывающие антибиотики увеличивают продолжительность жизни и эффективность роста бактерий (аннотация)Рибосомо-связывающие антибиотики увеличивают продолжительность жизни и эффективность роста бактерий
Считается, что антибиотики пагубно влияют на жизнедеятельность бактерий. Несмотря на наличие литературы, описывающей альтернативные взгляды на функции антибиотиков, это мнение, скорее всего, закрепилось из-за ограниченности лабораторных тестов на антибиотикочувствительность, в которых нормой являются краткосрочные тесты на ингибирование роста.
Однако многие антибиотики синтезируются микроорганизмами, при этом малые молекулы выходят из клеток-продуцентов и распространяются во внеклеточной среде, где в пространственно микроокружении они с большей вероятностью могут встретить "близких родственников", чем врагов. Учитывая это, можно ли предположить, что антибиотики могут быть многофункциональными и приносить пользу родственникам, нанося при этом вред противникам?
Действительно, синтез антибиотиков обычно происходит в период стресса, а не во время быстрого роста, когда уничтожение конкурентов представляется наиболее важным. Более того, бактерицидные антибиотики, ускоряющие наступление гибели, антагонизируют с бактериостатическими антибиотиками, что открывает возможность того, что бактериостатические антибиотики каким-то образом антагонистичны по отношению к гибели бактерий как таковой.
Кроме того, хотя это трудно оценить количественно, из-за огромных размеров природных микробных сообществ значительная часть взаимодействий между антибиотиками и микробами происходит в окружающей среде, вне контекста человеческой медицины, что может поддерживать гены резистентности вдали от вмешательства человека. Поэтому необходимо лучше понять все многообразие экологических и природных механизмов, поддерживающих резистентность, и мы предполагаем, что в этом может сыграть роль до сих пор не замеченное преимущество антибиотиков.
Если препятствование росту бактерий не является единственной целью антибиотика, то какие еще функции он может выполнять?
Поскольку рибосомо-связывающие антибиотики способны сжигать реактивные формы кислорода (ROS), мы искали признаки бактерий, которые могут выиграть от этого в периоды питательного стресса; мы показали, что популяционное долголетие может выиграть всего от одного воздействия антибиотика. В результате при оценке долгосрочной судьбы резистентных и восприимчивых бактериальных субпопуляций мы должны учитывать не только эволюцию, преодолевающую снижение скорости роста, но и оценивать, как резистентность и чувствительность опосредуют продолжительность жизни популяции.
Под "продолжительностью жизни популяции" понимается время, в течение которого микробная популяция поддерживается на уровне положительной концентрации, при которой хотя бы одна клетка способна дать начало новому росту; этот термин не относится к продолжительности жизни отдельных клеток. Аналогично, "фаза гибели" - это снижение плотности популяции. Поскольку рост популяции равен рождению минус смерть, деление клеток может происходить во время фазы смерти, а гибель клеток - во время фазы роста.
Антибиотики, по определению, снижают скорость роста бактерий в оптимальных условиях культивирования, однако в реальной среде, где обитают бактерии, быстрый рост сменяется периодами низкой доступности питательных веществ. Каким образом антибиотики опосредуют снижение численности популяции в эти периоды, пока неясно. Бактерии не могут оптимизироваться для всех условий окружающей среды, поскольку компромисс между ростом и продолжительностью жизни предполагает, что более быстрый рост приводит к более быстрому сокращению популяции, а поскольку бактериостатические антибиотики замедляют рост, они также должны влиять на продолжительность жизни.
Компромисс может быть опосредован антибиотиками, например, существует компромисс между ростом и лизисом, обусловленный β-лактамными антибиотиками. Бактерии также демонстрируют "компромисс между ростом и гибелью", при котором замедление роста приводит к замедлению сокращения популяции, и бактериостатические антибиотики могут опосредовать этот компромисс, возможно, даже в пользу бактерий.
Эта возможность плохо изучена, в том числе и потому, что фазы гибели не оцениваются количественно в ходе стандартных тестов на чувствительность к антибиотикам (AST), которые измеряют рост в течение коротких периодов времени, которые могут составлять всего 4 ч. AST проводятся на средах, способствующих быстрому росту, но, в отличие от этого, реальные микроорганизмы испытывают многофакторные стрессы в среде с ограниченным количеством энергии, где временные колебания доступности питательных веществ вызывают стресс, в том числе в кишечнике человека, где конкуренция за ресурсы очень жесткая. В связи с этим у бактерий существует множество механизмов борьбы со стрессом.
Законы термодинамики, регулирующие потребление энергии и накопление энтропии, практически вынуждают микроорганизмы к стрессу и гибели. Способность клеток смягчать молекулярно-динамические процессы, приводящие к гибели, и вместо этого поддерживать целостность клеток в условиях недостатка питательных веществ является жизненно важной для выживания до того момента, когда питательные вещества снова станут обильными. До наступления этого момента бактерии могут образовывать споры, персистирующие клетки способны выдерживать высокие дозы антибиотиков и длительные стрессы, а популяции могут выживать годами благодаря "преимуществу роста в стационарной фазе" мутантов.
Таким образом, увеличение продолжительности жизни является весьма выгодным признаком, но мало что известно о том, как антибиотики опосредуют этот процесс, поэтому мы исследовали этот вопрос. Мы обнаружили, что хотя антибиотики, связывающие рибосомы, могут увеличивать продолжительность жизни популяции, это преимущество может быть утрачено в антибиотикоустойчивых популяциях, если белки защищают рибосому от антибиотиков. Таким образом, резистентность, если она передается бактериям с помощью плазмид, может даже действовать как "троянский конь".
Мы количественно оценили влияние антибиотиков, их мишеней и механизмов резистентности на продолжительность жизни на примере популяций Escherichia coli. Как и предсказывает компромисс, популяции сохраняются дольше, если они сталкиваются с рибосомо-связывающими антибиотиками доксициклином и эритромицином, чего не наблюдается при использовании антибиотиков с альтернативными клеточными мишенями. Этот компромисс также предсказывает, что механизмы резистентности, увеличивающие скорость роста при воздействии антибиотиков, могут оказаться губительными при питательных стрессах, и действительно, мы обнаружили, что резистентность с помощью рибосомной защиты устраняет преимущества для продолжительности жизни, обеспечиваемые доксициклином.
Поэтому мы уподобляем рибосомальную защиту "троянскому коню", поскольку она обеспечивает защиту от антибиотика, но при питательных стрессах способствует гибели бактерий. В поисках механизмов, подтверждающих эти наблюдения, мы показали, что доксициклин способствует эффективному метаболизму и снижает концентрацию реактивных форм кислорода. Стремясь к обобщению, мы искали еще один механизм, влияющий на продолжительность жизни, и обнаружили, что число мишеней доксициклина, а именно опероны рибосомальной РНК, опосредует рост и продолжительность жизни даже без антибиотиков. Мы пришли к выводу, что медленный рост, наблюдаемый при воздействии антибиотиков, может помочь бактериям преодолеть более поздние периоды питательного стресса.
Мы проанализировали штаммы E.coli, включая коллекцию нокаутов одиночных генов Keio, для определения других преимуществ, связанных с антибиотиками, начиная от использования внеклеточных метаболитов во время голодания, изменений в метаболизме, вызванных антибиотиками, и заканчивая защитой от повреждения ROS с помощью рибосомо-связывающих антибиотиков. Таким образом, выявлена выгода от применения антибиотиков, возникающая в результате того, что у некоторых штаммов Keio, которые не могут расти без антибиотиков из-за отсутствия защиты от ROS-стресса, рост восстанавливается при воздействии антибиотиков.
Наконец, мы показали, что для того чтобы опосредовать долголетие популяции, не обязательно воздействовать антибиотиками на рибосомы, это можно делать непосредственно через них. Мы продемонстрировали это на примере штаммов E. coli с разным числом оперонов рибосомальной РНК, которые демонстрируют разную продолжительность жизни популяции, причем одно число оперонов оптимизирует скорость роста, а меньшее число - продолжительность жизни популяции.
Таким образом, рибосомо-освязывающие антибиотики приносят пользу бактериям, снимая стресс и помогая смягчить снижение численности популяции во время фаз гибели, поддерживая популяции бактерий на более высоком уровне плотности в течение более длительного времени по сравнению с популяциями, не подвергавшимися воздействию антибиотиков.
