Антибиотики могут спасти жизнь людям, страдающим от серьезных бактериальных инфекций, таких как пневмония и менингит. Лекарства смертельны для бактерий, но некоторые бактерии дают отпор, вырабатывая устойчивость к антибиотикам, а некоторые не только сопротивляются натиску, но и превращают смертельные лекарства в пищу.
Ученые мало что понимают в том, как бактериям удается безопасно потреблять антибиотики, но новое исследование Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе освещает ключевые этапы этого процесса.
Исследователи заявили, что результаты, опубликованные 30 апреля в журнале Nature Chemical Biology, могут привести к новым способам удаления антибиотиков из воды и земли. Загрязнение окружающей среды антибиотиками способствует устойчивости к лекарствам и подрывает нашу способность лечить бактериальные инфекции.
«Десять лет назад мы наткнулись на тот факт, что бактерии могут питаться антибиотиками, и все были шокированы этим», - сказал старший автор Гаутам Дантас, доктор философии, доцент кафедры патологии и иммунологии, молекулярной микробиологии и биомедицинская инженерия. «Но теперь это начинает обретать смысл. Это всего лишь углерод, и везде, где есть углерод, кто-нибудь придумает, как его есть. Теперь, когда мы понимаем, как эти бактерии это делают, мы можем начать думать о том, как использовать эту способность, чтобы избавиться от антибиотиков там, где они причиняют вред».
Лекарственная устойчивость является серьезной и обостряющейся проблемой, которая угрожает отбросить медицинскую помощь в прошлое во времена, когда антибиотики еще не были открыты, а инфекционные заболевания были причиной смерти номер один во всем мире.
Современные промышленные и сельскохозяйственные методы ускоряют рост устойчивости к антибиотикам, насыщая окружающую среду активными препаратами. В Индии и Китае, которые вместе производят подавляющее большинство антибиотиков в мире, фармацевтические фабрики иногда сбрасывают содержащие антибиотики отходы в местные водоемы. В Соединенных Штатах некоторые фермеры добавляют антибиотики в корм для животных, чтобы стимулировать рост скота, что приводит к образованию отходов, насыщенных лекарствами.
Бактерии легко делятся генетическим материалом. Поэтому, когда антибиотики проникают в воду и почву, резидентные бактерии реагируют, распространяя гены устойчивости к антибиотикам в сообществе.
Дантас, исследователь с докторской степенью и первый автор Теренс Крофтс, доктор философии, и его коллеги хотели понять, как некоторые экологические бактерии не только выдерживают воздействие антибиотиков, но и питаются ими. Они изучили четыре отдаленно родственных вида почвенных бактерий, которые процветают на диете, состоящей только из пенициллина. Пенициллин был первым открытым антибиотиком, но потерял популярность из-за резистентности. Другие члены семейства пенициллинов, такие как амоксициллин и ампициллин, по-прежнему эффективны и широко назначаются для лечения бактериальных инфекций.
Исследователи обнаружили три различных набора генов, которые стали активными, когда бактерии ели пенициллин, но неактивными, когда бактерии ели сахар. Три набора генов соответствуют трем шагам, которые бактерии предпринимают, чтобы превратить летальное соединение в пищу.
Все бактерии начинают с нейтрализации опасной части антибиотика. Как только токсин обезвреживается, они отрезают вкусную порцию и съедают ее.
Понимание шагов, связанных с превращением антибиотика в пищу, может помочь исследователям биоинженерных бактерий очистить почву и водоемы, загрязненные лекарствами, и тем самым замедлить распространение лекарственной устойчивости. Почвенные бактерии, которые естественным образом питаются антибиотиками, привередливы, и с ними трудно работать. Но потенциально можно сконструировать более послушные виды, такие как кишечная палочка, чтобы питаться антибиотиками на загрязненной земле или в воде.
Крофтс и Дантас показали, что они могут дать E. coli способность выживать и процветать на пенициллине. Бактерии обычно требуется сахар, но с некоторыми генетическими модификациями и добавлением ключевого белка она процветала на диете без сахара, состоящей из пенициллина.
«С помощью некоторых умных технологий мы сможем модифицировать бактерии, чтобы разрушать антибиотики в окружающей среде», - сказал Крофтс.
Любой такой биоинженерный проект должен включать план по ускорению процесса поедания антибиотиков. Способ, которым почвенные бактерии естественным образом удаляют антибиотики из окружающей среды, эффективен, но медленен. Они не могли справиться с таким количеством антибиотиков возле фармацевтических заводов и в очистных сооружениях.
«Вы не можете просто залить поле этими почвенными бактериями сегодня и ожидать, что они все очистят», - сказал Дантас. «Но теперь мы знаем, как они это делают. Гораздо проще улучшить то, что у вас уже есть, чем пытаться разработать систему с нуля."