Бактерии хитрят...

Чрезмерная жизнеспособность некоторых микроорганизмов иногда стоит жизни высокоорганизованным животным. Зачастую определенный штамм бактерии проявляет устойчивость к медикаменту, который теоретически должен был оказаться губительным для патогена. В таком случае ученые пытаются найти особенное оружие — специфичный антибиотик. Другие бактерии поступают и того коварнее: они вроде как погибают от медицинской травли, но не все. Совсем небольшая часть (иногда несколько особей) патогенной популяции выживает. Выжившие бактерии спят в ожидании лучших времен. Как только прекращается лечение, а концентрация действующего вещества в физиологических жидкостях снижается, они вновь оживают и начинают размножаться.
Разноликие однояйцевые близнецы
Ученые пытались изолировать и размножить гиперживучие бактерии в лабораторных условиях, а после изучить. Но оказалось, что бактерии-монстры, размножаясь, восстанавливают структуру оригинальной популяции. То есть суперустойчивые к антибиотикам бактерии не воспроизводят таких же «могучих Арни», а восстанавливают прежнюю популяцию, в которой есть и обыкновенные, и сверхживучие особи. Причем генотип у всех одинаковый.
Описанный феномен ученые назвали «стохастическая дифференцировка фенотипов генетически однородной популяции клеток». Столь сложное определение достаточно ясно описывает суть явления: у генетически одинаковых микроорганизмов случайно появляются разнообразные фенотипы. То есть явление достаточно удивительное. Это все равно что у человека родились разнополые однояйцевые близнецы.
В 2003 году Корч и Хендерсон (Korch SB, Henderson TA) в журнале Molecular Microbiology описали мутацию hipA7, которая встречалась в изменчивых популяциях. Мутация hipA7 затрагивает генетический комплекс, который осуществляет техническое обслуживание бактериальной ДНК. Ученые предположили, что именно такая мутация способна помогать микроорганизмам изменять лики в зависимости от состояния среды обитания.
Загадочный комплекс
механизм
Антибелки
Впервые генетический комплекс яд—противоядие ученые Огура (Ogura T.) и Хирага (Hiraga S.) обнаружили во внехромосомной ДНК бактерий — в плазмидах в 1983 году. За прошедшие годы ученым удалось выявить множество подобных структур в геномах бактерий. Так, только у возбудителя туберкулеза (Mycobacterium tuberculosis) ученые обнаружили около 50 генетических модулей яд—противоядие. Более того, стало известно, что генетический комплекс яд—противоядие обязательно присутствует во всех микроорганизмах. В течение многих лет исследователи пытаются выяснить, какие функции выполняет генетический комплекс, гены которого подавляют друг друга и одновременно выполняют работы по техническому обслуживанию наследственного материала.
Пойманная мутация (hipA7) изменяет ген белка HipA, который участвует в регуляции жизненных функций бактерии. Белок образуют пару яд—противоядие с протеином HipB. Генетический модуль, который контролирует синтез двух белков, состоит из пары генов и называется hipBA TA. Интересно, что гены взаимоисключающих белков находятся на одном участке бактериальных хромосом.
Устойчивые бактерии
Проверить предположение о связи комплекса hipBA TA и изменчивости бактерий решили исследователи из Еврейского университета (Hebrew University) под руководством Эйтена Ротема (Eitan Rotem). Они изучали устойчивость к антибиотикам кишечной палочки (Escherichia coli). Микробиологи описали поведение и внутрипопуляционную изменчивость бактерий с измененным генотипом в различных условиях.
В эксперименте ученые использовали методики генных перестроек и таким способом изучали популяцию. Чтобы изучить физиологические особенности живучих бактерий в разных условиях, исследователи присматривались к каждой особи в отдельности. Результаты авторы опубликовали в статье Regulation of phenotypic variability by a threshold based mechanism underlies bacterial persistence, PNAS.
Генетики изучили предполагаемого виновника устойчивости бактерий к антибиотикам — генетический модуль hipBA TA. Для этого они по очереди блокировали гены и помещали бактериальные клетки в различные условия. Оказалось, что комплекс hipBA TA меняет облик отдельной бактерии и перестраивает ее физиологические процессы. Все изменения происходят под влиянием взаимоисключающих белков HipA и HipB. Причем HipA по-разному регулирует поведение клеток. Так, умеренная экспрессия гена белка HipA усыпляет лишь некоторые бактерии, в то время как остальные продолжают расти и размножаться. Экспрессия гена HipA на уровне выше среднего затормаживает рост и развитие большей части бактериальной популяции. Так как HipA и HipB взаимодействуют между собой, ученые решили исследовать влияние HipB на работу HipA. Как и предполагалось, чем выше уровень экспрессии HipB, тем больше требуется снотворного HipA для появления видимого эффекта.
Экспериментаторы выяснили, что популяция бактерий не всегда проявляет фенотипическую разнородность. Наибольшие изменения происходят в популяциях, если соотношение белков HipA и HipB колеблется. Протеиновое непостоянство разделяет бактерии на две группы — бодрствующие (многочисленные) и уснувшие. Под действием антибиотиков погибают те из бактерий, которые ведут активный образ жизни. Уснувшие микроорганизмы дают о себе знать, когда концентрация антибиотиков в среде обитания значительно снижается.
Исследователи пришли к выводу, что генетический модуль hipBA TA посредством белков регулирует частоту, с которой появляются сони, и продолжительность процессов роста и развития бактерий. Они также выяснили, что спящие суперживучие бактерии присутствуют в любой популяции, но они более многочисленны, если в ней есть мутация hipA7.
Ученые отмечают, что молекулярные основы описанного феномена до сих пор неясны. Однако исследователи уверены, что вскоре удастся решить проблему неэффективного лечения, изменив фармацевтические стратегии.