Горизонтальный перенос генов у бактерий оказался независим от антибиотиков
Обработка антибиотиками слабо влияет на частоту горизонтального переноса генов от бактерии к бактерии, сообщается в Science Advances.
В большей степени на частоту этого процесса влияет то, какие плазмиды (небольшие молекулы ДНК, которые несут в себе несколько генов и могут быть переданы от одной клетки другой) содержит микроорганизм.
Бактерии быстро становятся устойчивыми к новым антибиотикам (приобретают резистентность) в том числе потому, что способны к горизонтальному переносу генов — передаче ДНК не только потомкам, а вообще любым особям своего или даже чужого вида. Один из наиболее распространенных способов такого переноса — конъюгация с передачей плазмид. Клетка-донор выпускает в сторону другой половой пиль — полую белковую нить. Пиль соединяет две клетки и по нему плазмида переходит в организм реципиента.
Плазмиды нередко содержат гены устойчивости к антибиотикам и другим негативным факторам. Логично предположить, что в присутствии антибиотиков конъюгация и, следовательно, передача таких генов происходят чаще. Но на самом деле эксперименты этого не подтверждают, и нередко получается, что интенсивность горизонтального переноса генов зависит от динамики численности популяции и многих других факторов. При этом установить влияние каждого фактора по отдельности бывает сложно.
Микробиологи из Университета Дьюка (США) и нескольких исследовательских учреждений Шэньчжэня (Китай) под руководством Линчуна Ю (Lingchong You) провели масштабный анализ причин, по которым частота передачи плазмид может вырасти. Ученые исследовали 219 штаммов кишечной палочки (Escherichia coli), которые с 2002 по 2014 годы выделили из крови пациентов больницы Университета Дьюка.
Эти штаммы за счет своих плазмид были устойчивы к одному из антибиотиков с разными механизмами действия — канамицину, карбенициллину, хлорамфениколу, норфлоксацину либо эритромицину. Культуры таких кишечных палочек смешивали с другими бактериями так, чтобы каждый штамм в паре обладал резистентностью к другому антибиотику, нежели второй, и растили полученные смеси на среде, в которой присутствовало два антибиотика. Таким образом, преимущество получали бактерии, которые получили от организмов другого штамма плазмиду с недостающими генами устойчивости ко второму противомикробному веществу.
Главным образом исследователи оценивали способность E. coli передавать гены бета-лактамаз — ферментов, способных разрушать бета-лактамы (например карбенициллин) и тем самым обеспечивать резистентность к ним. Раз в сутки культуры пересевали, при этом разводили их в тысячу раз. Это позволяло утверждать, что на скорость горизонтального переноса генов не влияет количество бактерий изначальных штаммов.
Схема эксперимента. Цвета в С означают, в какую группу в В попал каждый штамм по итогам проверки на способность к конъюгации.
Геномы всех исследованных линий, кроме 19, секвенировали либо нашли в уже имеющихся библиотеках и сопоставили их с частотой случаев успешной передачи плазмид у каждого штамма.
Оказалось, что лучше всего со скоростью горизонтального переноса генов коррелирует то, к какой группе несовместимости Inc относятся плазмиды донора и реципиента. Плазмиды делятся на группы в зависимости от того, как выглядит точка начала их репликации, и в одной клетке, как правило, не должно быть плазмид из одной группы: они будут мешать репликации друг друга.
Присутствие в среде конкретного антибиотика и его концентрация слабо влияли на частоту конъюгаций, увеличивая ее не более чем в 5 раз по сравнению с контролем. Только у одного штамма она вырастала в 31 раз, если его культивировали в среде с эритромицином либо хлорамфениколом.
Авторы исследования отмечают, что строение плазмид и в особенности их разделение на группы несовместимости Inc, может в будущем стать важным показателем для оценки вероятности того, с какой скоростью у данной бактерии разовьется устойчивость к антибиотикам. Однако для этого нужно проверить, выполняются ли у других видов те же закономерности, что нашли в этом исследовании на примере кишечной палочки.
Скорее всего, устойчивость к антибиотикам начала развиваться у бактерий задолго до открытия пенициллина человеком, ведь подобные вещества всегда присутствовали в окружающей среде. Вероятно, поэтому антибиотикорезистентные микроорганизмы находят у представителей изолированных племен, мумий X–XVIII веков и даже в туалете на МКС (хотя в последнем случае это следствие загрязнения бактериями с Земли).
