Антибиотик, обычно встречающийся в окружающей среде в низких концентрациях, может оказывать серьезное воздействие на кишечные бактерии, сообщают исследователи из Орегонского университета.
Исследование, опубликованное на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, применило трехмерную микроскопию к почти прозрачным рыбкам данио, чтобы показать, как слабые уровни антибиотиков вызывают структурные изменения в бактериальных сообществах кишечника, которые вызывают серьезные падения в бактериальные популяции.
«Низкие уровни антибиотиков часто встречаются как загрязнители окружающей среды, например, из-за их широкого использования в животноводстве», - сказал Рагувир Партасарати, профессор физики и член Института молекулярной биологии UO.«Известно, что слабые антибиотики могут резко изменить микробиом кишечника человека, но почему это происходит, остается загадкой».
Личинки рыбок данио являются хорошей моделью для решения этой тайны, сказал Партасарати, потому что они имеют много анатомических сходств с людьми и другими позвоночными, и их кишечные микробы можно непосредственно наблюдать.
Докторант Брэндон Х. Шломанн и постдокторский исследователь Трэвис Дж. Уайлс руководили проектом, в котором личинки наблюдались с помощью 3D-микроскопии, когда они подвергались воздействию концентраций антибиотика ципрофлоксацина на уровнях, сравнимых с теми, которые часто обнаруживаются в образцах окружающей среды..
Исследователи отдельно рассмотрели рыбок данио, несущих один из двух разных видов бактерий, каждый из которых часто встречается в кишечнике рыбок данио. Бактерии одного из видов подвижны и быстро плавают. Бактерии остальных видов почти полностью собраны в плотные колонии.
В присутствии антибиотика оба типа бактерий демонстрировали резкие изменения в своем поведении. Нормально подвижные виды становились значительно медленнее и образовывали скопления. Нормально агрегированные виды изменили свою структуру, образовав еще более крупные колонии с меньшей фрагментацией.
В обоих случаях усиленная агрегация сделала бактерии более чувствительными к механическим сокращениям кишечника, что привело к усилению изгнания из кишечника и более чем стократному снижению кишечной популяции.
«Наши результаты, - сказал Партасарати, - предполагают, что из-за физической активности кишечника заражение антибиотиками вызывает гораздо большие изменения в микробиоме кишечника, чем можно было бы предположить, просто изучая только бактерии. В некотором смысле, кишечник усиливает действие слабых антибиотиков».
Основываясь на своих наблюдениях, исследователи разработали математическую модель динамики бактерий в кишечнике с прогнозами размеров колоний, которые соответствовали экспериментальным данным. Модель аналогична модели роста полимеров и микрочастиц, показывая, как пишут соавторы, что методы, разработанные в физике, могут быть плодотворно применены к изучению микробиома кишечника.
Parthasarathy ожидает, что выводы команды применимы не только к рыбкам данио.
«Широкий спектр бактерий реагируют на слабые антибиотики, изменяя свою форму и поведение при агрегации», - сказал он. «Кишечники всех позвоночных, включая человека, транспортируют пищу и микробы, а их механика управляет движением бактериальных групп. Поэтому мы подозреваем, что то, что мы открыли, является довольно общим для всех видов, включая людей и других животных».
Модель, как пишут Партасарати и его коллеги, обеспечивает основу для оценки воздействия антибиотиков на людей и других животных. Команда из пяти человек предполагает, что изгнание живых бактерий, подвергшихся воздействию антибиотиков, из кишечника животных посредством процесса, основанного на агрегации, может быть механизмом распространения устойчивости к антибиотикам.