Лечить бактериальные инфекции антибиотиками становится все труднее, поскольку бактерии развивают устойчивость не только к антибиотикам, которые используются против них, но и к тем, с которыми они никогда раньше не сталкивались. Путем анализа генетических и фенотипических изменений устойчивых к антибиотикам штаммов E. coli, исследователи из Центра количественной биологии RIKEN (QBiC) в Японии выявили общий набор функций, которые, по-видимому, ответственны за развитие устойчивости к нескольким типам антибиотиков.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, что устойчивость возникает в результате мутаций, которые сходятся с аналогичными физическими изменениями у бактерий. Количественная оценка этих изменений путем измерения экспрессии небольшого количества генов может быть полезна для прогнозирования реакции бактерий на данный антибиотик, а знание того, какие гены важны, может способствовать разработке новых способов предотвращения устойчивости.
Для выполнения этого сложного генетического и фенотипического анализа Синго Судзуки, Такааки Хориноути и Чикара Фурусава впервые использовали метод, называемый лабораторной эволюцией, для создания 44 штаммов E. coli, каждая из которых устойчива к одному из 11 различных антибиотиков. Затем они изучили, как каждый из этих устойчивых штаммов реагировал на 25 антибиотиков, с которыми они никогда не сталкивались. Тесты показали, что у большинства штаммов развилась устойчивость к нескольким из 25 – явление, называемое перекрестной устойчивостью – даже когда эти антибиотики действовали иначе, чем тот, который использовался для создания устойчивости. Команда также обнаружила, что в случае двух классов антибиотиков развивается перекрестная чувствительность – бактерии, которые становятся устойчивыми к одному типу, становятся более уязвимыми для другого.
Исследователи пришли к выводу, что подобные изменения в экспрессии генов могут быть одной из причин перекрестной устойчивости. Чтобы проверить эту гипотезу, они идентифицировали изменения в экспрессии генов для каждого из устойчивых штаммов с помощью анализа микрочипов. Затем они объединили эту информацию с данными об устойчивости, перекрестной устойчивости и перекрестной восприимчивости некоторых штаммов, чтобы создать простую линейную модель, которая очень хорошо справилась с предсказанием моделей устойчивости и восприимчивости остальных штаммов. Фурусава отмечает, что, "эти высокоточные прогнозы были возможны с использованием небольшого количества генов, что сделало это мощным способом описания фенотипа бактерии и ее ожидаемой реакции на антибиотики."
Исследователи также искали фиксированные мутации, которые могли бы связать развитие устойчивости к антибиотикам. Например, они обнаружили, что почти все штаммы имели фиксированные мутации, влияющие на конкретный насос оттока нескольких лекарственных препаратов – насос, который бактерии используют для удаления нежелательных молекул. Однако одним из основных результатов было то, что, хотя бактерии демонстрировали сходные изменения в паттернах экспрессии, они часто были результатом различных изменений в геноме, а часто и комбинации нескольких различных мутаций. Фурусава предполагает, что, "этот тип конвергентной эволюции может быть ключевым фактором, который стимулирует развитие устойчивости к антибиотикам."
Было обнаружено, что классы антибиотиков с перекрестной чувствительностью обладают экспрессией генов и фиксированными мутациями, которые вообще не перекрываются. Например, штаммы, устойчивые к аминогликозидным антибиотикам, показали мутации и подавление активности генов, которые, будучи эффективными в блокировании аминогликозидных антибиотиков, также приводили к менее эффективным оттока от нескольких лекарственных препаратов. Это объясняет, почему эти штаммы стали более восприимчивыми ко всем другим антибиотикам – бактерии не могли выводить их из своих клеток.
Понимание общих факторов, которые приводят к устойчивости к антибиотикам, может помочь в борьбе с этой растущей проблемой. Как размышляет Фурусава, "давая возможность количественно определить, какие гены способствуют развитию устойчивости к антибиотикам, это исследование может привести к новым методам блокирования приобретения устойчивости и к разработке новых соединений антибиотиков."