Проблема устойчивости бактерий к антибиотикам стала очень острой

Наука и жизньНаука

Временно спящие: как бактерии скрываются от антибиотиков

Так выглядит биоплёнка бактерий Staphylococcus epidermidis под электронным микроскопом.

В последние десятилетия проблема устойчивости бактерий к антибиотикам стала очень острой. Однако на фоне пандемии коронавируса интерес к этой теме несколько упал, хотя ситуация с антибиотикорезистентностью лишь усложняется: бактерии, которые приобретают устойчивость к одному антибиотику, зачастую становятся резистентными и к другим антибиотикам того же класса.

Сейчас поиск новых классов антибактериальных препаратов сильно замедлился. В предыдущие 15 лет был введён в практику лишь один новый класс антибиотиков, и то против грамположительных бактерий, а новый класс антибиотиков широкого спектра действия последний раз был открыт ещё в 60-е годы прошлого века. Разработка новых антибактериальных препаратов стала попросту невыгодна, поскольку на их поиск тратится уйма времени и денег, тогда как потерять эффективность они могут всего за пару лет.

Но даже если удастся открыть «абсолютный» антибиотик, к которому не будет вырабатываться резистентность, бактерии всё равно периодически смогут избегать его действия, просто входя в метаболически неактивное состояние. Такое состояние называется персистенцией (от англ. «persistent» — устойчивый).

Вернуться к жизни

В 1942 году двое учёных — американский микробиолог Глэдис Хобби и ирландский врач Джозеф Биггер — независимо друг от друга заметили рост убитой пенициллином культуры Staphylococcus aureus после пересева на новую среду без антибиотика. То есть после обработки пенициллином бактериальные клетки разрушались, но после пересева на чистую среду культура, которая должна была погибнуть, вновь образовывала колонии благодаря небольшой популяции выживших, но не обладающих резистентностью клеток. Иными словами, некоторые клетки входили в такое состояние, в котором пенициллин их не убивал, а затем выходили из него и размножались. Однако после новой обработки пенициллином образовавшаяся культура опять погибала.

Феномен персистенции имеет совершенно другие механизмы, нежели устойчивость бактерий к антимикробным препаратам. Персистенция — это неспецифический механизм, то есть способ защиты от большого количества разнообразных повреждающих факторов. Она может активироваться спонтанно или в ответ на различные стрессовые факторы окружающей среды.

Резистентность же вырабатывается против конкретного антибиотика. Возникает она благодаря случайным мутациям бактериальной клетки, приводящим к модификации мишени антибиотика, инактивации самого антибиотика или более активному его выбросу из бактериальной клетки. Резистентность передаётся по наследству: все потомки такой бактерии смогут жить и размножаться в присутствии антибиотика.

Персистенция — это что-то вроде спящего состояния бактерий. Клетка живёт, но остаётся неактивной, ничего не потребляет и не выделяет, а значит, лишена активных мишеней для действия антибиотиков. Но как только бактерия выходит из такого состояния и начинает делиться, антибиотик вновь способен её уничтожить.

Персистенция свойственна абсолютно всем протестированным на данный момент бактериям, и при благоприятных условиях многие культуры имеют небольшую (1—3%) долю персистеров, биологический смысл которых — сохранение популяции в случае изменения условий окружающей среды. Какие гены участвуют в персистенции, определить бывает трудно. Дело в том, что очень много генов «ответственны» одновременно не только за персистенцию, но и за множество других функций, и эти гены нельзя просто удалить и посмотреть, сохранится ли способность клетки персистировать, так как в ней будут нарушены и другие процессы.

Различие между резистентными и персистентными клетками. В случае резистентности выживают только мутантные бактерии, которые нечувствительны к антибиотику. В дальнейшем они размножаются и образуется резистентная популяция. В случае персистенции выживают обычные клетки, временно находящиеся в «спящем» состоянии. Клетки могут выйти из персистенции в разное время, однако выживут и размножатся лишь те, которые перестанут персистировать после окончания антибиотикотерапии. Затем они вновь сформируют популяцию, которая будет так же чувствительна к антибиотику, как и изначальная. Рисунок Анны Кузнецовой

Механизмов перехода обычной клетки в метаболически неактивное состояние много, они избыточны и могут дублировать друг друга, что подтверждает важность персистенции в жизни бактерий. На данный момент основным способом входа в персистентное состояние считается активация системы токсин-антитоксин (ТА-система). Токсинами в этом случае выступают стабильные молекулы, которые нарушают такие важные функции клетки, как транскрипция (считывание информации с ДНК) и трансляция (синтез белка). Бактерии синтезируют такие токсины внутри себя для саморегуляции, но обычно их нейтрализует антитоксин, образующий с токсином неактивный (то есть не способный вступать ни в какие биохимические реакции) комплекс. Поскольку токсины задерживают клеточный рост и таким образом снижают активность мишеней для антибиотиков, они вносят свой вклад в образование персистеров. Получается, что бактерии могут образовывать меньше антитоксина, в результате чего токсин будет замедлять метаболизм и вводить клетку в неактивное состояние.

Как же исследовать персистенцию, если в её образовании могут принимать участие огромное количество разных токсинов? Для начала исследователи попытались выделить бактерии, образующие персистентные клетки чаще, нежели обычная популяция. Это привело к получению hip-мутанта E. coli (hip — сокр. от англ. high persistence) hipA7, который проявлял в 100—1000 раз большую частоту образования персистеров, чем родительский штамм. Впервые этот мутант получили Харрис Мойед и Кевин Бертран из Калифорнийского университета, о чём в 1983 году у них вышла статья в «Journal of Bacteriology». У обычных бактерий ген hipA кодирует токсин, а hipB — антитоксин. Но у hip-мутантов ген hipA мутировал, и продукт больше не обезвреживается антитоксином, что способствует образованию персистентных клеток.

Подобных мутантов стали искать в биологическом материале больных хроническими инфекциями и выделять из клинических изолятов (то есть из чистой культуры) бактерий Pseudomonas aeruginosa. Впоследствии в лабораториях стали получать других мутантов, которые тоже часто образуют персистеры, однако неизвестно, встречаются ли подобные лабораторные мутанты в клинике и не являются ли такие искусственные механизмы повышенного образования персистеров артефактами, и на самом деле в природе не встречающимися.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

«Чувствую полную гармонию…» История болезни Достоевского «Чувствую полную гармонию…» История болезни Достоевского

Почему тайну личности Достоевского способен постичь только врач?

Наука и жизнь
В России художник — пророк В России художник — пророк

Что и как видит художник и зачем вообще нужны искусствоведы

Монокль
Зачем обоняние лёгким Зачем обоняние лёгким

Обоняние в лёгких? Это что, шутка? Вовсе нет!

Наука и жизнь
Реки крови и гречишный шоколад: как выигрывать конкурентную борьбу на «алых» рынках Реки крови и гречишный шоколад: как выигрывать конкурентную борьбу на «алых» рынках

Как российская компания может добавить значимых отличий своему ассортименту

Forbes
Пассажир на гиперзвуке Пассажир на гиперзвуке

Первый в истории самолет, который обещает преодолеть скорость звука на водороде

ТехИнсайдер
Люди, традиции, поговорки и преступления Люди, традиции, поговорки и преступления

Из чего Льюис Кэрролл создал «Алису в Стране чудес»

Weekend
Статус обязывает Статус обязывает

Бюро Officina Italiana ответственно за дизайн всех яхт Riva c 1994 года

Y Magazine
4 ингредиента, которых не должно быть в твоем шампуне: мнение трихологов 4 ингредиента, которых не должно быть в твоем шампуне: мнение трихологов

Ингредиенты в шампунях, которые могут нанести урон здоровью кожи головы

VOICE
Банановые перспективы российских субтропиков Банановые перспективы российских субтропиков

Инвесторы хотят импортозаместить экзотические фрукты

Агроинвестор
Глаз-синхротрон Глаз-синхротрон

О том, как научить искусственный интеллект понимать, а не угадывать химию

Наука и жизнь
Читалка для компьютера: выбираем лучшую из бесплатных Читалка для компьютера: выбираем лучшую из бесплатных

Лучшие читалки для компьютера из бесплатных программ

CHIP
Во Франции раскопали детально проработанную голову палеолитической Венеры Во Франции раскопали детально проработанную голову палеолитической Венеры

Чем ученых заинтересовал один из артефактов на стоянке Амьен-Ренанкур-1

N+1
Андрей Борисов: Театр – это эссенция жизни, субстрат смыслов Андрей Борисов: Театр – это эссенция жизни, субстрат смыслов

Гендиректор МАМТа — о миссии театра, лидерстве и ценностях для нового поколения

Ведомости
Тело, страхи и перверсии: Дэвид Кроненберг в пяти фильмах Тело, страхи и перверсии: Дэвид Кроненберг в пяти фильмах

Работы, которые помогут лучше понять Дэвида Кроненберга

Правила жизни
Китайские церемонии и арабская дипломатия. Как незнание культуры другой страны может разрушить бизнес Китайские церемонии и арабская дипломатия. Как незнание культуры другой страны может разрушить бизнес

Как не оказаться на грани банкротства из-за культурных различий и стереотипов

Inc.
В такси на Дубровку В такси на Дубровку

Ищешь живописное место для фотосессии? Советские фильмы знают ответ!

Лиза
Кутхины баты: удивительное место на Камчатке, в существование которого трудно поверить Кутхины баты: удивительное место на Камчатке, в существование которого трудно поверить

Один из самых потрясающих памятников природы — Кутхины баты

ТехИнсайдер
Неандертальцы сделали ретушеры из костей пещерного льва Неандертальцы сделали ретушеры из костей пещерного льва

Неандертальцы изготавливали предметы из костей пещерных львов

N+1
«Бархатный молоток»: как Эстер Петерсон боролась с зарплатным неравенством «Бархатный молоток»: как Эстер Петерсон боролась с зарплатным неравенством

Как Эстер Петерсон стала главной союзницей работающих американок

Forbes
Диагнозы не горят Диагнозы не горят

Новый детективный сериал видного сценариста Денниса Лихейна «Дым»

Weekend
Обмануть время: зачем во многих странах переводят часы на зимнее и летнее время и почему в России от этого отказались Обмануть время: зачем во многих странах переводят часы на зимнее и летнее время и почему в России от этого отказались

Зачем вообще была придумана практика перевода часов на зимнее время?

ТехИнсайдер
55 и вперед: как «серебряное поколение» адаптируется под новые карьерные треки 55 и вперед: как «серебряное поколение» адаптируется под новые карьерные треки

Как «серебряное поколение» адаптируется к новым карьерным реалиям

Forbes
Биржу залили горючим Биржу залили горючим

Почему в России растут биржевые цены на нефтепродукты

Ведомости
Сделано с заботой: о новой отчетной нагрузке Сделано с заботой: о новой отчетной нагрузке

Постараемся разобраться в правовой основе требований для налогоплательщиков

Ведомости
Взяться за голову Взяться за голову

В КХЛ усилили защиту от ЧМТ: новые правила и умные капы для игроков

Ведомости
На Марсе будут расти дома: ученые придумали способ, который решит проблему колонизации На Марсе будут расти дома: ученые придумали способ, который решит проблему колонизации

Как строить из того, что предлагает сам Марс?

Inc.
Есть ли у Европы армия Есть ли у Европы армия

О потенциале собственной армии Евросоюза и перспективах ее участия вне НАТО

Монокль
Уже не косметика, но еще не лекарство: чем опасна космецевтика Уже не косметика, но еще не лекарство: чем опасна космецевтика

Чем опасно бесконтрольное применение космецевтики?

Forbes
Новые преступные схемы с клиентами СТО. Как не лишиться денег и машины Новые преступные схемы с клиентами СТО. Как не лишиться денег и машины

Как мошенники маскируются под персонал СТО

РБК
Эра литий-ионных аккумуляторов Эра литий-ионных аккумуляторов

Почему ученые трудятся над тем, чтобы повысить безопасность батареек

Наука и техника
Открыть в приложении