Цивилизация
Человечество борется с бактериальными инфекциями с помощью антибиотиков с начала ХХ века и пока ничего лучшего не придумало. Но антибиотики сплошь и рядом оказываются неспособны победить инфекцию из-за того, что бактерии вырабатывают к ним устойчивость. То есть вещество, которое должно быть токсичным для бактериальной клетки – разрушать клеточную стенку, например, или блокировать какие-то ключевые биохимические пути — вдруг перестает быть токсичным. Тогда врач назначает другой антибиотик или комбинацию из несколько препаратов. Иногда и это не помогает. Ученые разрабатывают все новые антибиотики, которые на первых порах эффективны, пока бактерии и к ним не приспособятся.
В общем, идет постоянная «гонка вооружений», в которой человек пока не может одержать победу.
Почему бактериям удается столь успешно отражать химические атаки лекарственных препаратов, выясняли ученые из Университета Эксетер, Великобритания, и Университета Киль, Германия. Они открыли парадоксальный факт: чем сильнее мы травим бактерии, тем быстрее последние вырабатывают устойчивость. Результаты работы авторы опубликовали
в открытом доступе в журнале PLoS Biology.
В лаборатории исследователи проводили эксперименты с обычной кишечной палочкой E.coli . Бактерии обрабатывали различными антибиотиками, поодиночке и в комбинациях, и наблюдали за тем, как они пытаются выжить. Неожиданно для биологов оказалось, что резистентность к антибиотикам кишечные палочки приобретали тем быстрее, чем более сильные средства против них использовали.
Более агрессивная терапия вызывала более быструю эволюцию.
Схема, по которой происходит «гонка вооружений» между бактериями и антибиотиками, такова. Первоначальное воздействие токсичного вещества убивает большую часть бактериальных клеток. Но, благодаря большому генетическому разнообразию, в любой популяции есть клетки, несущие определенные мутации, придающие невосприимчивость к данному яду. Такие клетки выживают и быстро образуют устойчивые клоны, которые процветают, несмотря на воздействие антибиотика.
Ученые установили, что обработка более сильными антибактериальными токсинами приводит к тому, что погибают все клетки, кроме немногих устойчивых мутантов.
В результате эти мутанты оказываются одни на зачищенном поле, где не испытывают никакой конкуренции со стороны других членов популяции. И начинают безудержно расти, умножая гены резистентности.
Если же антибиотик более слабый, выживают несколько разных бактериальных клонов, которые конкурируют между собой, и устойчивый клон не получает такого преимущества. К такому заключению биологи пришли, наблюдая за подопытными бактериями E.coli. Колонии бактерий росли быстрее, если их пытались уничтожить более агрессивным антибиотиком или сочетанием нескольких антибиотиков.
«Мы были удивлены тем, как быстро бактерии приобретают резистентность. Иногда антибиотик утрачивал свою силу в течение одних суток, — говорит Роберт Бедмор, профессор Университета Эксетер, специалист по генной инженерии. — Но теперь мы знаем, как это происходит».
Чтобы разобраться с механизмом выработки резистентности, ученые провели полное секвенирование геномов устойчивых и неустойчивых линий кишечной палочки, а также использовали математическое моделирование. Они выяснили, что бактериальные клетки, выжившие после первой атаки антибиотика, размножают специфические участки своего генома, содержащие гены устойчивости.
Образовавшиеся многочисленные копии этих генов во много раз усиливают способность клеток противостоять токсину.
Если терапия происходит путем комбинации нескольких разных антибиотиков, то копии устойчивых генов размножаются еще быстрее.
Так что бактерии заведомо опережают в «гонке вооружений» ученых, которые создают все новые и новые лекарственные препараты. Резистентность к антибиотикам специалисты считают одной из главных глобальных проблем здравоохранения. Пожалуй, наиболее яркий пример – лекарственно-устойчивый туберкулез, с которым медицина до сих пор не может справиться.