Бактериальная резистентность возникает не только в результате адаптации к антибиотикам, иногда бактерии просто засыпают. Международная группа исследователей изучает соединения, которые нарушают способность бактерий впадать в спячку, и нашла первую чувствительную к кислороду систему токсин-антитоксин.
«Антибиотики могут убивать бактерии только тогда, когда они активно растут и делятся», - сказал Томас К. Вуд, профессор химического машиностроения и заведующий кафедрой биотехнологии штата Пенсильвания. «Но стрессовые факторы окружающей среды часто включают бактериальный механизм, который создает токсин, который делает клетку бездействующей и, следовательно, устойчивой к антибиотикам."
Бактерии, образующие биопленки, часто трудно убить. Они могут реагировать на сигналы окружающей среды и вырабатывать токсин, который усыпляет клетки. Антибиотики не могут воздействовать на спящие клетки.
Один тип бактерий, которые делают это, живет в желудочно-кишечном тракте. Желчь, выделяемая печенью и хранящаяся в желчном пузыре, при попадании в желудочно-кишечный тракт может убивать бактерии. В присутствии желчи эти бактерии производят белок, который является самотоксином, и бактерии впадают в спячку. Когда желчи нет, бактерии производят другой белок, который разрушает белок-ингибитор, и бактерии оживают. Эти системы токсин-антитоксин присущи бактериям и служат для их защиты от различных внешних воздействий окружающей среды.
Вуд и его коллеги охарактеризовали первую систему токсин-антитоксин в биопленке. Они сообщают в Nature Communications, что эта система также является первой известной кислородозависимой. Характеристика была сделана на молекулярном и атомном уровне исследователями из лаборатории биомолекулярного ЯМР в Университете Барселоны, Испания. Они обнаружили, что структура антитоксина кишечной палочки имеет каналы, которые достаточно велики для прохождения кислорода. Токсин в этой системе - Hha, а антитоксин - TomB. Однако, в отличие от других пар токсин-антитоксин, где токсин переводит клетку в состояние покоя, а антитоксин инактивирует токсин путем связывания, этой системе нужен кислород в присутствии антитоксина для окисления токсина и пробуждения бактерий.
«Если мы поймем системы токсин-антитоксин на молекулярном или атомном уровне, мы сможем создавать более эффективные противомикробные препараты», - сказал Вуд. «Я бы сказал, что системы токсин-антитоксин являются фундаментальными для физиологии всех бактерий. Мы надеемся, что это даст нам представление о том, как они выживают после антибиотиков».
Свободно плавающие бактерии обычно легко становятся мишенью для антител или антибиотиков, но бактерии, образующие биопленки, убить труднее. При туберкулезе бактерии имеют до 88 различных вариантов токсинов, чтобы реагировать на стрессы окружающей среды. По словам Вуда, это одна из причин, по которой больным туберкулезом приходится месяцами или годами принимать антибиотики, чтобы очистить организм от всех бактерий.
Биопленки являются причиной 80 процентов инфекций человека и являются одним из самых серьезных факторов, способствующих насущной проблеме устойчивости к антибиотикам.
Исследователи обнаружили, что 10 процентов кислорода достаточно, чтобы разбудить бактерии, но в биопленке проблема становится доступной. Бактерии на краях пленки могут легко подвергаться воздействию кислорода, но бактерии, находящиеся дальше внутри пленки, могут не вступать в контакт с кислородом. Каналы, образующиеся в биопленке кишечной палочки, позволяют кислороду проникать в биопленку, пробуждать бактерии, разрушать биопленку и рассеивать ее.
Исследователи предполагают, что этот тип токсина, кислородозависимый, может стать мишенью для антибактериальной терапии, препятствующей образованию биопленок.