В совместном сотрудничестве исследователи из Дании и Швейцарии показали, что бактерии производят специфическую молекулу стресса, делятся медленнее и, таким образом, экономят энергию при воздействии антибиотиков. Ожидается, что новые знания станут основой для разработки антибиотиков нового типа.
Все свободноживущие организмы находятся под постоянным давлением, чтобы выжить. Дарвин назвал это «выживанием наиболее приспособленных» и, таким образом, описал, как наиболее приспособленные виды будут иметь больше потомства и, следовательно, в конечном итоге размножаться.
Этот фундаментальный принцип особенно заметен в мире микроорганизмов, где свободноживущие бактерии живут в постоянной борьбе за то, чтобы быть наиболее приспособленными и, следовательно, быстрее делиться в любой данной естественной среде обитания. Но когда бактерии одновременно подвергаются воздействию смертельных антибиотиков, эта борьба становится вопросом уравновешивания приспособленности, то есть способности быстро делиться, с устойчивостью к антибиотикам. Эта удивительная приспособляемость бактерий является одним из факторов, способствующих тяжести инфекционных заболеваний у людей, включая туберкулез и тяжелую инфекцию мочевыводящих путей, при которых заболевание часто проявляется вновь после окончания лечения.
В новой исследовательской статье, только что опубликованной в авторитетном журнале Molecular Cell, исследователи из Орхусского университета в сотрудничестве с экспертами из Копенгагенского университета и технического университета ETH Zürich в Швейцарии подробно изучили, как бактерии справляются с этим трудным балансированием. Результаты показывают, что бактерии очень быстро снижают скорость клеточного деления при воздействии антибиотиков, чтобы поддерживать максимально возможную толерантность, но быстро снова начинают расти, когда вещества удаляются, и приспособленность является наиболее важным фактором.
Бактерии экономят энергию
На молекулярном уровне исследователи из группы Asc. Профессор Дитлев Эгесков Бродерсен с факультета молекулярной биологии и генетики Орхусского университета смог показать, что эффект опосредуется ферментом внутри бактерий, способным накапливать молекулярную энергию в виде компонентов клеточной ДНК, которые могут использоваться для быстрого восстановления роста после прекращения лечения антибиотиками. Когда бактерии подвергаются воздействию антибиотиков, они немедленно начинают расщеплять заместители ДНК (так называемые нуклеотиды) на более мелкие части, которые затем сохраняются в клетке.
Исследователи показали, что бактерии производят специфическую молекулу стресса, называемую (p)ppGpp, при воздействии антибиотиков, которая делает фермент более активным. Таким образом, это означает, что накопление энергии происходит очень быстро, когда бактерии подвергаются стрессу. Используя передовой аналитический метод, называемый рентгеновской кристаллографией, исследователи смогли создать подробные трехмерные изображения фермента как в его нормальном состоянии, так и в состоянии, когда он связан с молекулой стресса. Результаты неожиданно показывают, что фермент открывается, когда присутствует гормон стресса, и, таким образом, функционирует гораздо эффективнее, поскольку нуклеотидам легче получить доступ к активному центру, где происходит процесс распада.
Ожидается, что новые знания о молекулярной основе реакции бактерий на антибиотики могут быть использованы для разработки совершенно нового типа антибиотиков, которые не позволяют бактериям экономить энергию и таким образом адаптироваться к лечению.