Устойчивость к антибиотикам является серьезной и растущей проблемой во всем мире. По данным Всемирной организации здравоохранения, устойчивость к антибиотикам поднимается до опасно высокого уровня во всех частях мира, и новые механизмы устойчивости появляются и распространяются по всему миру, угрожая нашей способности лечить распространенные инфекционные заболевания. Но как возникают эти механизмы бактериальной резистентности и можем ли мы предсказать их эволюцию, далеко не понятно.
Исследователи ранее показали, что один из способов, которым бактерии могут выжить под действием антибиотиков, - это выработка «таймера», который удерживает их в состоянии покоя на время лечения антибиотиками. Но антибиотик убивает их, когда они просыпаются, поэтому самое простое решение - продолжать лечение антибиотиками в течение более длительного времени.
Теперь, в новом исследовании, опубликованном в журнале Science, исследователи из Еврейского университета в Иерусалиме сообщают о поразительном альтернативном пути эволюции резистентности у бактерий. После развития механизма покоя бактериальная популяция может развивать устойчивость в 20 раз быстрее, чем обычно. На этом этапе дальнейшее введение антибиотиков не убьет бактерии.
Чтобы исследовать этот эволюционный процесс, группа биофизиков под руководством профессора Натали Балабан и аспиранта Ирит Левин-Рейсман из Института физики Раках Еврейского университета подвергала популяции бактерий ежедневной дозе антибиотиков в контролируемой лаборатории. условиях, пока не установится резистентность. Отслеживая бактерии в процессе эволюции, они обнаружили, что смертельная доза антибиотика привела к появлению бактерий, которые временно находились в состоянии покоя и, следовательно, были защищены от нескольких типов антибиотиков, нацеленных на активно растущие бактерии. Как только бактерии приобрели способность впадать в спячку, что называется «толерантностью», они быстро приобрели устойчивость к мутациям и смогли преодолеть лечение антибиотиками.
Таким образом, сначала бактерии эволюционировали, чтобы «спать» большую часть лечения антибиотиками, а затем этот «спящий режим» не только временно защищал их от летального действия препарата, но и фактически работал как ступенька для последующего приобретения факторов резистентности.
Результаты показывают, что толерантность может играть решающую роль в эволюции резистентности бактериальных популяций при циклическом воздействии высоких концентраций антибиотиков. Ключевыми факторами являются то, что толерантность возникает быстро в результате большого числа возможных мутаций, которые к ней приводят, и что комбинированный эффект устойчивости и толерантности способствует установлению мутации частичной устойчивости на толерантном фоне.
Эти результаты могут иметь важное значение для разработки новых антибиотиков, поскольку они предполагают, что способ отсрочить развитие резистентности заключается в использовании препаратов, которые также могут воздействовать на толерантные бактерии.
Раскрытие эволюционной динамики устойчивости к антибиотикам стало возможным благодаря биофизическому подходу исследовательской группы. Эксперименты проводились группой физиков, которые разработали теоретическую модель и компьютерное моделирование, что позволило глубоко понять причину наблюдаемой быстрой эволюции сопротивления.