Такое распространение устойчивости к антибиотикам по большей части связано со способностью бактерий обмениваться генетическим материалом посредством процесса, известного как бактериальная конъюгация. Систематическое секвенирование патогенных или экологических штаммов выявило широкий спектр генетических элементов, которые могут передаваться путем конъюгации и несут устойчивость к большинству – если не всем – классам антибиотиков, используемых в настоящее время в клинических условиях. Однако процесс передачи генетического материала от одной бактерии к другой in vivo, время, необходимое для приобретения этой устойчивости после получения нового генетического материала, и влияние молекул антибиотиков на эту устойчивость оставались невыясненными.
Визуализация в реальном времени
Исследователи решили изучить приобретение устойчивости Escherichia coli к тетрациклину, широко используемому антибиотику, путем помещения бактерии, чувствительной к тетрациклину, в присутствие бактерии, которая является устойчивой. Предыдущие исследования показали, что такая устойчивость включает способность бактерии изгонять антибиотик до того, как он сможет проявить свой деструктивный эффект, с помощью «оттокных насосов», обнаруженных на ее мембране. Эти специальные насосы для оттока способны выталкивать антимикробные молекулы из бактерий, тем самым придавая им определенный уровень устойчивости.
В этом эксперименте передача ДНК от одного специфического «оттока» насоса – насоса TetA – наблюдалась между устойчивой бактерией и чувствительной бактерией с использованием флуоресцентной маркировки. Благодаря микроскопии живых клеток исследователям просто нужно было отслеживать прогресс флуоресценции, чтобы увидеть, как ДНК «помпы» мигрировала от одной бактерии к другой и как она выражалась в бактерии-реципиенте.
Исследователи обнаружили, что всего за 1-2 часа одноцепочечный фрагмент ДНК оттока насоса трансформировался в двухцепочечную ДНК, а затем транслировался в функциональный белок, тем самым придавая устойчивость к тетрациклину бактерии-реципиенту.
В их видео (см. Ссылку ниже) перенос ДНК от бактерий-доноров (зеленый) к бактериям-реципиентам (красный) выявляется по появлению красных очагов локализации. Быстрая экспрессия вновь приобретенных генов обнаруживается по производству зеленой флуоресценции в бактериях-реципиентах.
Как организована резистентность в присутствии антибиотика?
Механизм действия тетрациклина хорошо известен ученым: он убивает бактерии, связываясь с их трансляционными механизмами, тем самым блокируя любую возможность производства белков.
Следуя этой линии рассуждений, можно было бы ожидать, что при добавлении антибиотика к предыдущей культуральной среде откачивающий насос TetA не будет производиться, и бактерии погибнут. Однако исследователи обнаружили, что, как это ни парадоксально, бактерии смогли выжить и эффективно развить резистентность, что предполагает участие другого фактора, важного для процесса приобретения резистентности.
Ученые обнаружили, что это явление можно объяснить существованием другого оттока, который присутствует практически во всех бактериях: AcrAB-TolC.
Хотя этот универсальный насос менее эффективен, чем TetA, он все же способен вытеснять небольшое количество антибиотика из клетки, а это означает, что бактерии могут поддерживать минимальную активность синтеза белка. Следовательно, если бактериям посчастливилось получить ген устойчивости в результате конъюгации, то создается насос TetA, и бактерии становятся устойчивыми.
Это исследование открывает новые возможности для поиска подобных механизмов у бактерий, отличных от E. coli, и для разных антибиотиков. "Мы могли бы даже рассмотреть терапию, сочетающую антибиотик и молекулу, способную подавлять этот универсальный насос. Хотя еще слишком рано рассматривать терапевтическое применение такого ингибитора, в настоящее время проводятся многочисленные исследования в этой области, учитывая возможность снижения устойчивости к антибиотикам и предотвращения ее распространения среди различных видов бактерий."заключает Лестерлин.