Открытие пенициллина около 90 лет назад и широкое внедрение антибиотиков для борьбы с инфекционными заболеваниями произвели революцию в медицине. Однако в последние десятилетия увеличение числа возбудителей с множественной лекарственной устойчивостью поставило современную медицину перед огромными проблемами. У насекомых есть свои собственные антибиотики, которые обеспечивают естественную защиту от микробов. Группа ученых из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце и Института химической экологии им. Макса Планка в Йене обнаружила, что пчелиные волки, в отличие от людей, не сталкиваются с проблемой устойчивых к антибиотикам патогенов. Эти насекомые объединяются с симбиотическими бактериями, которые производят коктейль антибиотиков, состоящий из 45 различных веществ одного вида, чтобы защитить свое потомство от плесневых грибков. Исследователи не только обнаружили, что количество антибиотических веществ намного выше, чем считалось ранее, они также доказали, что коктейль оставался на удивление стабильным с момента возникновения симбиоза, около 68 миллионов лет назад.
Пчелиные волки - это одиночные осы-землекопы, которые переносят парализованных пчел в свои подземные расплодные ячейки; они служат пищей для их потомства. После того, как из яиц вылупятся личинки, они питаются пчелами, а затем зимуют в коконе в земле. Во время спячки им постоянно угрожают быстрорастущие плесневые грибы, споры которых повсеместно присутствуют в почве. Чтобы защитить своих детенышей, пчелиные волки не только разработали собственные защитные механизмы, но и полагаются на химический арсенал микроорганизмов. Взрослые самки размножают бактерии рода Streptomyces в своих усиках и откладывают эти бактерии на стенки выводковых ячеек, в которых развиваются их личинки. Когда личинка плетет свой кокон, она вплетает Streptomyces в шелк кокона. Поскольку бактерии вырабатывают коктейль из различных антибиотических веществ, образуется защитный слой, который препятствует проникновению плесневых грибков в кокон и заражению личинки.
В настоящем исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые из Майнца и Йены показали, что защитный симбиоз между пчелиными волками и их бактериальными партнерами существовал не только с мелового периода, более того, антибиотик защита, обеспечиваемая бактериями против патогенов, очень мало изменилась с тех пор, как она возникла около 68 миллионов лет назад. Все исследованные виды пчелиных волков используют очень похожие смеси антибиотиков - в основном, модификации только двух структур: стрептохлора и пиерицина.«Мы ожидали, что некоторые симбионты пчелиного волка выработали новые антибиотики в дополнение к своему арсеналу в ходе эволюции, чтобы помочь своим хозяевам бороться с новыми или устойчивыми плесневыми грибами», - сказал Тобиас Энгл из Университета Майнца, первый автор исследования. Однако первоначальный коктейль антибиотиков должен был быть настолько эффективным, что его не нужно было менять. Особенно важным свойством с самого начала, возможно, было то, что смесь была эффективна против широкого спектра грибков, поскольку известно, что ни один специализированный патоген у пчелиных волков не развил устойчивость к этим антибиотикам.
Широкая защита, обеспечиваемая коктейлем антибиотиков от различных плесневых грибов, вероятно, связана с большим количеством веществ, продуцируемых бактериальными симбионтами. Поскольку большинство этих веществ можно проследить до одного кластера генов, ученые также изучили молекулярные причины разнообразия продуктов. Они определили несколько ключевых этапов биосинтеза и обнаружили, что ферменты симбиотических Streptomyces работают менее избирательно, чем ферменты свободноживущих бактерий. Это отсутствие специфичности позволяет ферментам связываться с различными химическими предшественниками, что является причиной большего количества продуктов. Кроме того, непосредственный конечный продукт биосинтеза пиерецидина модифицируется несколькими способами. Результатом является множество антибиотических веществ, которые в различных количествах обнаруживаются у разных видов пчелиных волков. Географический характер относительного количества отдельных веществ предполагает, что антибиотики позволяют пчелиным волкам в определенной степени адаптироваться к местным сообществам плесени.
Пчелиные волки и производимые ими симбионтами антибиотики, вероятно, подвергаются другому избирательному давлению, чем люди. Патогены человека получают огромное преимущество, становясь устойчивыми к обычным антибиотикам. Они могут эффективно использовать это преимущество, поскольку передаются от человека к человеку, а в нашем глобализированном мире даже из страны в страну. Они легко распространяются в больницах, где в непосредственной близости проживает много людей, часто с ослабленной иммунной системой.«Пчелиные волки, напротив, обычно встречаются небольшими популяциями и часто перемещаются, потому что они полагаются на открытые песчаные участки для строительства своих нор», - Мартин Кальтенпот, который возглавлял исследовательскую группу Макса Планка в Йене, пока не стал профессором эволюционной экологии в Майнце. в 2015 году, пояснил. «Следовательно, у устойчивых патогенов мало возможностей для распространения внутри или между популяциями». Возможно, именно по этой причине не известно ни одного резистентного микроорганизма, специализирующегося на пчелиных волках. Для пчелиных волков наиболее важно иметь защиту, эффективную против широкого и постоянно меняющегося спектра плесневых грибов. Селективный процесс, отдающий предпочтение активности широкого спектра, а не адаптации к специализированным патогенам, вероятно, повлиял на разработку коктейля антибиотиков и привел к тому, что он оставался в основном неизменным на протяжении миллионов лет..