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

Солнце меняет климат Солнце меняет климат

Почему климат на Земле так стремительно меняется

Наука и жизнь
Без крыши дороже Без крыши дороже

Стоят ли кабриолеты своих денег

Деньги
Зачем обоняние лёгким Зачем обоняние лёгким

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

Наука и жизнь
Альберт Филозов: «Такого мужа, как я, своим девочкам не пожелал бы» Альберт Филозов: «Такого мужа, как я, своим девочкам не пожелал бы»

Альберт Филозов — о том, как любовь продлила ему жизнь

Коллекция. Караван историй
Бескишечные морские черви, нефть, газ и жизнь на других планетах Бескишечные морские черви, нефть, газ и жизнь на других планетах

Морису Коллери опубликовал статью со строением этих весьма необычных существ...

Наука и жизнь
Музыка против голода: как фестиваль Live Aid изменил благотворительность и культуру Музыка против голода: как фестиваль Live Aid изменил благотворительность и культуру

Как фестиваль Live Aid стал поворотной точкой для благотворительности в музыке

Forbes
Северяне в Эстонии Северяне в Эстонии

11 ноября 1918 года перемирием в Компьене закончилась Великая война

Дилетант
Пластик, металл, стекло: какая посуда подходит для микроволновки Пластик, металл, стекло: какая посуда подходит для микроволновки

Какая посуда безопасна для микроволновки, а от какой лучше отказаться?

CHIP
Вторую межзвездную комету заподозрили в рекордной старости Вторую межзвездную комету заподозрили в рекордной старости

Какие свойства у открытого межзвездного объекта — кометы 3I/ATLAS

N+1
Объект, обнаруженный на краю Солнечной системы, бросает тень на существование Девятой планеты Объект, обнаруженный на краю Солнечной системы, бросает тень на существование Девятой планеты

Чем уникален седноид на краю Солнечной системы, получивший прозвище «Аммонит»

Inc.
«Медицина стала точной наукой» «Медицина стала точной наукой»

Революция в изучении человека и новые методы терапии рака: мнение профессора РАН

Монокль
Ученые превратили растительные отходы в топливо для самолетов Ученые превратили растительные отходы в топливо для самолетов

Технологию производства авиатоплива из биомассы создали в РГУ нефти и газа

ТехИнсайдер
Вяземские Вяземские

Происходивший от Рюрика княжеский род Вяземских известен ещё со Средневековья

Дилетант
Детский плач в возрасте пяти месяцев связали с наследственностью Детский плач в возрасте пяти месяцев связали с наследственностью

Генетические факторы отвечают за 70 процентов плача

N+1
Не только Мирра Андреева: 5 российских теннисисток, за которыми стоит следить Не только Мирра Андреева: 5 российских теннисисток, за которыми стоит следить

В российском теннисе выросло поколение спортсменок. За кем стоит следить?

Правила жизни
Главное – остаться незамеченным Главное – остаться незамеченным

В чем состоит военная (а возможно, и не только) хитрость стелс-технологии?

Наука и техника
Интернет из папки: готовы ли российские суды доверять электронным доказательствам Интернет из папки: готовы ли российские суды доверять электронным доказательствам

Как цифровизация сказывается на судебных процессах в России?

Forbes
Передвижники и императорская власть Передвижники и императорская власть

Как передвижники получили признание императора Александра III

Знание – сила
Добро пожаловать на борт! Добро пожаловать на борт!

О чем нужно помнить, собираясь в аэропорт

Лиза
Биржу залили горючим Биржу залили горючим

Почему в России растут биржевые цены на нефтепродукты

Ведомости
Сироп от кашля защищает мозг от слабоумия Сироп от кашля защищает мозг от слабоумия

Появилось доступное средство для замедления прогрессирования деменции

ТехИнсайдер
Третий межзвездный объект оказался слабоактивной кометой Третий межзвездный объект оказался слабоактивной кометой

Астрономы подтвердили обнаружение третьего межзвездного объекта

N+1
Эра литий-ионных аккумуляторов Эра литий-ионных аккумуляторов

Почему ученые трудятся над тем, чтобы повысить безопасность батареек

Наука и техника
Интерес над деньгами Интерес над деньгами

Финансовая составляющая – главная мотивация при трудоустройстве у 40% студентов

Ведомости
Соучастники космоса Соучастники космоса

Как и зачем запускают совместные космические миссии? Рассказывает Натан Эйсмонт

Монокль
Крупным франшизам запрещают быть эксклюзивными Крупным франшизам запрещают быть эксклюзивными

Суд признал права франчайзи продавать не только товары франчайзера

Forbes
Инфляция в белых халатах Инфляция в белых халатах

Медицинская инфляция может ускориться до 14% к концу года

Ведомости
Стив Возняк Стив Возняк

Правила жизни инженера и предпринимателя Стива Возняка

Правила жизни
Ученые предсказали точную дату конца Вселенной— и он случится раньше, чем предполагалось Ученые предсказали точную дату конца Вселенной— и он случится раньше, чем предполагалось

Ученые впервые назвали точную дату конца Вселенной

Inc.
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
Открыть в приложении