С 1950 года наблюдается увеличение частоты устойчивости бактерий к антибиотикам в большинстве классов антибиотиков, которые применялись для лечения широкого спектра респираторных заболеваний, кожных расстройств и заболеваний, передающихся половым путем. Является ли эта устойчивость результатом того, что бактерия «эволюционировала» новые гены в ответ на присутствие антибиотиков, или бактерии, противостоящие антибиотику, были отобраны в среде благодаря тому, что заранее обладали генами устойчивости к антибиотикам.
Чтобы ответить на эти вопросы, будут рассмотрены некоторые факторы, включающие устойчивость к антибиотикам, которые покажут, что устойчивость является соответствующей особенностью уже ранее существующих генов, позволяющих бактериям бороться с продуцентами антибиотиков в их окружающей среде.
Краткий взгляд на пример устойчивости пенициллина выявляет увеличение частоты устойчивых к антибиотикам организмов с того времени, как использование антибиотиков стало общепринятым. Пенициллин является антибиотиком, выведенным из хлебной плесени Пенициллина, который был обнаружен случайно в 1929 году Британским микробиологом Александром Флемингом. К 1940 году пенициллин стал доступен для применения в медицине, а также он успешно применялся для лечения инфекций у солдатов во время Второй Мировой войны. С тех пор пенициллин стали широко применять для лечения ряда инфекций.
В 1967 году первый пенициллиноустойчивый Стрептококк был обнаружен в Австралии, а спустя 7 семь лет в США был зафиксирован другой случай пенициллиноустойчивой Стрептококковой пневмонии у пациента с пневмококковым менингитом.1 В 1980 году было подсчитано, что 3-5% Стрептококков пневмонии были пенициллино-устойчивыми, и к 1998 году 34% пробы Стрептококков пневмонии были устойчивыми к пенициллину. Устойчивость к антибиотикам у других организмов отображает ту же самую тенденцию, наблюдаемую между Стрептококками пневмонии и пенициллином. Тетрациклиновая устойчивость нормальной человеческой кишечной флоры от 2% в 1950 годах изменилась до 80% в 1990 годах. 2 Канамицин, антибиотик, используемый в 1950 годах, стал клинически бесполезным в результате преобладания канамициноустойчивых бактерий. Увеличение устойчивости среди этих организмов ясно указывает на изменение частоты устойчивым к антибиотикам генов.
Со времени Второй Мировой войны используется намного больше выделенных из грибков (плесени) и бактерий антибиотиков для лечения ряда инфекций у животных и людей. Одна группа бактерий, Стрептомицины, производит наиболее медицински важные антибиотики. 3 Стрептомицины выделяют антибиотики в почву, что напоминает сценарий войны с применением биохимического оружия для удаления конкурирующих организмов из их окружающей среды. Эти антибиотики представлены маленькими молекулами, которые атакуют различные части клеточной системы организма.
Выделяемые стрептомицинами антибиотики хиналона и кумарина, такие как, например, новабиоцин, сталкиваются с протеином гиразой, который принимает участие в процессе нормального разделения двунитевой ДНК во время репликации ДНК или транскрипции РНК. 4 Неспособность ДНК правильно разделиться во время этих процессов ведет к тому, что бактерия не может нормально делиться или вырабатывать функциональные протеины. Рибосомы, структуры, где катализируется синтез протеинов, являются целью многих других антибиотиков Стрептомицина, таких как спектиномицин, тетрациклин и стрептомицин.
Спектиномицин и тетрациклин мешают клетке собирать протеины, а также стрептомицин вызывает сплетение неправильных аминокислот в транслированный протеин. 5 Без протеинов, которые необходимы для нормальной клеточной функции, клетка умирает. Небольшие отличия между человеческими рибосомами, которые не связаны этими антибиотиками, и бактериальными рибосомами делают этот тип антибиотиков идеальным для лечения многих заболеваний. Другие антибиотики, такие как пенициллин, блокируют сплетение стенки бактериальной клетки, ослабляя и разрушая её. 7 Пенициллин является эффективным антибиотиком для человеческих заболеваний, так как он вклинивается в биологические компоненты бактерии (клеточная стенка), которых нет в человеческих клетках. Выделение этими организмами антибиотиков даёт им конкурентное преимущество перед неустойчивыми бактериями в их окружающей среде. Так же как и большие организмы, такие как растения и животные, должны бороться за жизненное пространство, пищу и воду, так и эти микроорганизмы используют антибиотики для устранения конкуренции с другими микроорганизмами за те же самые средства.
Однако не все бактерии беззащитны перед продуцентами антибиотиков. Многие из них имеют гены, которые кодируют протеины, чтобы нейтрализировать воздействия антибиотиков и предохранить агрессивные воздействия на их клеточную систему. Выкачивающие насосы, расположенные в клеточной мембране, являются одним из методов защиты, который используют многие бактерии против наплыва антибиотиков.6 Агрессивный антибиотик выкачивается из клетки, в которой находятся эти насосы до того, как антибиотик может навредить клеточной системе. Хотя многие выкачивающие насосы могут быть характерными для субстрата, который они выталкивают из клетки, они не являются редкими. Рибосомные защитные протеины (РЗП) являются другим путём устойчивости, который используют бактерии, чтобы защитить себя от антибиотиков. Эти протеины защищают рибосомы путём связывания их и изменяя их форму или структуру. Изменение формы рибосом мешает антибиотику вмешиваться в синтез протеина. РЗП-связанные рибосомы способны функционировать нормально во время синтеза протеина. Это является важным свойством данного метода сопротивления антибиотикам. Некоторые бактерии вырабатывают энзимы, которые нейтрализируют антибиотики путём добавления ацетиловых (СОСН3) или фосфатных (РО32-) групп в определенное место антибиотика. 8 Это изменение снижает способность антибиотика связываться с рибосомами, делая его безвредным для клетки. 9 Интересно, что все три типа устойчивых к антибиотикам генов, которые вырабатывают выкачивающие насосы, рибосомные защитные протеины и модифицирующие энзимы, были обнаружены у вида Стрептомицинов, продуцентов многих антибиотиков. Кажется, что это тот метод, который используется Стрептомицинами для того, чтобы защищать себя от своих же антибиотиков.
Возможен ли перенос этих генов устойчивости к другим бактериям? Уникальная характеристика бактерий, которая не наблюдалась в клетках растений и животных, это способность передавать гены от одной бактерии к другой, процесс, который называется «латеральный генный переход». Гены, расположенные на кольцевой нити ДНК, называемой R-плазмид, могут содержать несколько генов, устойчивых к антибиотикам. Во время процесса, известного как конъюгация, устойчивые к антибиотикам бактерии могут передавать гены устойчивости от R-плазмида к бактериям, которые не обладают сопротивлением антибиотикам. 10 Как ни странно, несколько генов устойчивости к антибиотикам, обнаруженных в других патологических бактериях, очень схожи в последовательностью ДНК с генами, обнаруженными у представителей Стрептомицинов. 11 Выкачивающие насосы, которые используются Стрептомицинами для выталкивания антибиотиков с целью удаления конкурентов, являются, вероятно, теми же насосами, которые теперь применяются другими представителями бактерий для выталкивания агрессивного антибиотика, поступающего от Стрептомицина! Устойчивые к антибиотикам бактерии, похоже, получают гены для этих выкачивающих насосов путём латерального генного перехода. Присутствие рибосомных защитных протеинов и энзимов, модифицирующих антибиотик, в устойчивых бактериях также произошли от Стрептомицинов или некоторых других антибиотикопродуцирующих микробов. Выходит, что бактерии не выробатывают новые гены; они получают ранее существовавшие гены устойчивости путём латерального генного перехода. Это позволяет видам бактерии иметь достаточно генетической изменчивости, чтобы приспособиться к изменениям окружающей среды и конкурировать с её соседями. (Этот метод защиты очень похож на генетическую изменчивость продуцирующих антитела В лимфоцитов у млекопитающих ~ тема другой статьи.) Бактерия, которая получает гены устойчивые к антибиотикам, всё равно обладает метаболическими и физическими качествами, которые отличают её от других видов бактерий и связывают её с такими же видами бактерий. Наблюдаемое увеличение частоты устойчивых к антибиотикам бактерий вытекает из увеличенного использования антибиотиков в медицине и сельском хозяйстве, приводящее к уменьшению числа организмов, которые не обладают генами устойчивости.
Устойчивость к антибиотикам у бактерий может быть достигнута при мутации в рибосоме или при изменении протеином места, где связывает антибиотик. Например, четыре из упомянутых ранее антибиотиков, тетрациклин, стрептомицин, канамицин и спектиномицин, привязываются к определенному месту рибосомы и мешают синтезу протеина. Мутации могут помешать антибиотику связываться с рибосомой (канамицин) 12или позволить рибосоме функционировать, даже когда антибиотик связан (стрептомицин и спектиномицин). Несмотря на то, что эти мутации являются благотворными и дают преимущество бактерии, которая обладает ими, они все сопровождаются негативными эффектами. Рибосомные мутации, по мере того, как обеспечивают организм устойчивостью к антибиотикам, замедляют процесс синтеза протеина, замедляют темп роста и снижают способность пораженной бактерии бороться в окружающей среде, лишенной определенного антибиотика. 13,14Более того, мутация, которая даёт устойчивость одному виду бактерии, может сделать бактерию более чувствительной к другим антибиотикам. 15 Эти вредные влияния являются тем фактором, который можно было бы ожидать от креационной модели для мутаций. Мутация может дать преимущество в определенной окружающей среде, но абсолютная биологическая пригодность популяции одного вида бактерии понижена в результате уменьшенной на её биологическом пути функции одного из компонентов. Накопление мутаций не ведет к новым видам бактерий - оно ведет к вымиранию.
* Доктор Дениель Крисуел имеет степень Доктора в области Молекулярной Биологии и является профессором Аспирантуры ICR.
Источник-www.icr.org