Новый взгляд на взаимодействие бактерий и антибиотиков

                              

Разбираем мир микробиологии по кусочкам


Новый взгляд на взаимодействие бактерий и антибиотиков

Сказка о жизни бактерий

Когда-то давно бактерии боялись антибиотиков…пока однажды они не вооружили себя мутациями. Благодаря этим механизмам, некоторые бактерии смогли победить антибиотики. И их жизнь была легка…до сегодняшнего дня!

Исследователи полагали, что механизм устойчивости к антибиотикам прост: как только бактерии приобретают мутации, защищяющие их от антибиотиков, они могут сопротивляться его химическим действиям. И полагаясь на эту мысль, ученые разрабатывали множество методик для борьбы с этой проблемой. Однако, Л. Галера Лапорта и Дж. Гарсия Охальво обнаружили, что механизм устойчивости к антибиотикам может быть не таким уж и простым, как это воспринималось ранее. Бактерии могут модулировать свою восприимчивость к антибиотикам, взаимодействуя с близлежащими бактериями. Следовательно, меры, предпринятые для борьбы с устойчивостью к антибиотикам, могут оказаться не столь эффективными.

Как охарактеризовать устойчивость бактерий к антибиотикам?

Некоторые бактерии устойчивы к одному типу антибиотиков, а другие — к другому. При совместном культивировании двух бактерий с разной степенью устойчивости к антибиотикам могут произойти четыре возможных сценария (Изображение 1): (а) устойчивые к антибиотику бактерии выживают, а чувствительные погибают; (б) оба вида бактерий могут выжить, потому что бактерии, устойчивые к антибиотику, производят достаточное количество нейтрализующего соединения, чтобы помочь чувствительным бактериям бороться с антибиотиком; в) обе бактерии погибнут; (г) устойчивые к антибиотикам бактерии умирают, а чувствительные бактерии выживают, используя способность устойчивых бактерий производить нейтрализующие соединения.

Изображение 1: Графическое описание реакций бактерий на антибиотики, выращенные отдельно и совместно. Источник: оригинальная статья.

Ампициллин является антибиотиком широкого спектра, что означает, что он эффективен против широкого спектра бактерий. Исследователи выбрали два вида бактерий с разной восприимчивостью к ампициллину: сенная палочка (Bacillus subtilis) и кишечная палочка (Escherichia coli). При добавлении ампициллина в растительную среду бактерия B. subtilis показывает медленный рост, в то время как E. coli не демонстрирует оптимального роста. Исследователи обнаружили, что при совместном выращивании двух бактерий, B. subtilis теряет устойчивость к ампициллину, в то время как E. coli становится устойчивой к антибиотику и выживает. Таким образом, судьба совместной культуры пошла по последнему из четырех сценариев, описанных ранее.

Читатели спросят: “Если вся шумиха вокруг устойчивости бактерий к антибиотикам была связана с мутациями, как исследователи пришли к выводу об изменяющейся устойчивости к антибиотикам?”. Исследователи вырастили индивидуальные культуры B. subtilis и E. coli с ампициллином, а также оба вида бактерий совместно. Они извлекли необходимые генетические компоненты из этих культур, и вырастили свежие культуры B. subtilis с использованием этих компонентов. Было обнаружено, что B. subtilis лучше всего растет с компонентами, извлеченными из отдельных культур B. subtilis, и хуже с компонентами, извлеченными из совместных культур B. subtilis и E. coli, и еще хуже с компонентами, извлеченными только из культуры E. coli. (Изображение 2).

Изображение 2: Слева: Культуры B. subtilis, B. subtilis + E. coli, и E. coli были выращены в присутствии ампициллина. Справа: Изменение роста бактерий с течением времени для B. subtilis с компоненатами, выделенными из монокультуры B. subtilis (синяя линия), смешанной культуры (зеленая линия), и монокультуры E. coli (оранжевая линия). Штриховая линия соответствует культуре B. subtilis, выращенная в отсутствии антибиотиков.

Как эта новая информация может повлиять на открытия в области медицины?

Такое динамичное взаимодействие между микробами можно описать как кооператор и мошенник. Кооператором является B. subtilis, так как эта бактерия нейтрализует антибиотик. Мошенником является кишечная палочка, потому что она выживает только за счет тяжелой работы, которую проделала B. subtilis. Авторы исследования упомянули в другом интервью, что их находки можно использовать для изменения устойчивости патогенных бактерий к антибиотикам путем введения пробиотиков, содержащих непатогенные бактерии-мошенники. Присутствие пробиотических бактерий сделает возбудителя чувствительным к антибиотикам, что ослабит его.

Означает ли это, что врачи должны изменить подход к назначению антибиотиков? На это, пока, нет однозначного ответа. Возможно, нам придется подождать еще пару лет, чтобы выяснить это наверняка.

Маленькая бактерия E. coli боялась антибиотика ампицилин, до тех пор пока однажды не пришла ее спасительница B. subtilis. Однако, у этой истории не такой уж и счастливый конец. Изображение создано автором статьи.

Перевод был сделан Марией Мартыновой

Источник оригинальной статьи: L. Galera-Laporta and J. Garcia-Ojalvo, Antithetic population response to antibiotics in a polybacterial community, Science Advances, 6 march 2020
Distributed under a Creative Commons Attribution NonCommercial License 4.0 (CC BY-NC)

Featured image: Image created by the author

Дополнительные источники:

1.      Özkaya Ö, Xavier KB, Dionisio F, Balbontín R. Maintenance of Microbial Cooperation Mediated by Public Goods in Single- and Multiple-Trait Scenarios. J Bacteriol. 2017 Nov 15;199(22):e00297-17. https://doi.org/10.1128/JB.00297-17

2.      Katrina Krämer. Cheating bacterium becomes antibiotic-tolerant at expense of other species. Chemistry World 2020 March 10. https://www.chemistryworld.com/news/cheating-bacterium-becomes-antibiotic-tolerant-at-expense-of-other-species/4011320.article