Когда бактерии подвергаются атаке антибиотиков, они не действуют по принципу «каждый сам за себя». Исследователи из Медицинского колледжа Бейлора и их коллеги обнаружили, что бактериальные популяции работают сообща, чтобы выжить в условиях применения антибиотиков. Исследование, опубликованное в журнале Science, показывает, что бактерии объединяют свои ресурсы, помогая выживать «спящим» клеткам. Полученные данные объясняют, почему некоторые бактерии трудно уничтожить, и предлагают потенциальные подходы к повышению эффективности антибиотиков.
«Антибиотики предназначены для того, чтобы убивать бактерии или останавливать их рост. Однако во многих случаях после применения антибиотиков остается небольшая группа выживших», — сказал соавтор исследования и ведущий автор доктор Кристоф Херман, профессор молекулярной генетики и генетики человека, а также молекулярной вирусологии и микробиологии в Бейлорском медицинском колледже. «Выжившие не обладают генетической резистентностью. Вместо этого они временно отключают определенные процессы метаболизма, переходя в состояние, похожее на спячку, которое позволяет им пережить лечение, а затем восстановиться. Понимание того, как выживают бактерии и как они остаются в организме, является серьезной проблемой в борьбе с хроническими инфекциями».
Учёным давно известно, что бактерии могут помогать друг другу противостоять антибиотикам, обмениваясь генами, обеспечивающими устойчивость к антибиотикам. В текущем исследовании Херман и его коллеги выясняли, могут ли бактерии напрямую обмениваться белками — молекулярными машинами, которые выполняют большую часть работы в клетках. Предыдущие исследования указывали на то, что бактерии могут обмениваться белками, но экспериментальных подтверждений этому было недостаточно.
«Чтобы обнаружить перенос белка, мы разработали чувствительную систему с использованием бактерии Escherichia coli», — рассказывает первый автор исследования Элис Икс. Вен. «Мы создали одну группу бактерий (доноров), которые вырабатывают специальный фермент под названием Cre, и другую группу тех же бактерий (реципиентов), которые содержат генетический "переключатель", который может сработать только в том случае, если белок Cre попадет в реципиента».
Система показала, что при совместном выращивании бактерий-доноров и бактерий-реципиентов перенос белков происходил, а в обычных условиях это случалось редко. Но когда бактерии подвергались воздействию низких, не смертельных для них доз антибиотиков, перенос белков увеличивался в тысячи раз.
«Затем мы исследовали, как белки перемещаются из одной клетки в другую, — говорит Вэнь. — Мы обнаружили, что перенос происходил даже после удаления донорских клеток, когда оставалась только жидкость, в которой они росли. Это исключило возможность прямого межклеточного контакта и указывало на то, что белки попали во внешнюю среду».
Сочетая биохимические методы и современную микроскопию, команда обнаружила, что белки переносятся крошечными структурами, называемыми мембранными везикулами. Везикулы выглядят как пузырьки из бактериальной мембраны, которые отделяются от клеток и свободно плавают.
При ближайшем рассмотрении клетки-реципиенты демонстрировали явные признаки покоя: они замедляли выработку белка, снижали метаболизм и активировали гены, связанные с персистентностью, такие как HipA. «Клетки-реципиенты с высокой активностью HipA с большей вероятностью поглощали везикулы, несущие белок, и выживали после лечения антибиотиками, — говорит Вэнь. — После удаления HipA поглощение белка и выживаемость снижались».
Перенос белков также помог спящим бактериям пережить воздействие смертельных доз антибиотиков после переноса везикул. То есть увеличение концентрации везикул перед обработкой антибиотиками повышало выживаемость клеток. Результаты показали, что перенесенные белки помогали спящим клеткам справляться со стрессом, пока их собственная выработка белков была приостановлена.
«Наше исследование показывает, что антибиотики заставляют генетически идентичную группу бактерий дифференцироваться на две отдельные группы: клетки-доноры, которые в ответ выделяют везикулы, наполненные белком, и клетки-реципиенты, которые впадают в спячку, но способны поглощать белки из поступающих везикул, что помогает им выживать, — говорит Херман. — Такая командная работа позволяет уязвимым представителям бактериальной популяции выживать перед лицом смертельной атаки антибиотиков».
Исследователи пытаются определить белки в везикулах, которые способствуют персистенции реципиента. Понимание взаимодействия доноров и реципиентов среди бактерий открывает возможности в борьбе с хроническими и персистирующими инфекциями.
[Фото: kjpargeter / Magnific.com]
