Inżynierowie biomedyczni z Duke University uważają, że odkryli fizyczny mechanizm, który powoduje, że wysokie dawki antybiotyków sprzyjają rozprzestrzenianiu się antybiotykooporności między bakteriami.
Według nich winowajcą jest nadmiar „skoczących genów”, zwanych transpozonami, które przenoszą genetyczne instrukcje odporności z kodu źródłowego komórki na plazmidy, które przemieszczają się między komórkami.
Wyniki pojawiły się online 28 marca w czasopiśmie Nature Ecology & Evolution.
„Istnieje wiele dowodów sugerujących, że ludzkie patogeny prawdopodobnie przejmują oporność na antybiotyki od innych gatunków żyjących w środowisku naturalnym” – powiedział Lingchong You, profesor inżynierii biomedycznej w Duke. „Intuicyjnie ma sens, że wysoki poziom antybiotyków w tych środowiskach ułatwia przeskakiwanie genów oporności z chromosomów do plazmidów, aby mogły się rozprzestrzeniać, ale mechanizm leżący u ich podstaw nigdy nie został bezpośrednio przetestowany. I tu właśnie pojawia się nasza praca”.
Nie jest tajemnicą, że wzrost oporności na antybiotyki u ludzkich patogenów zbiegł się ze wzrostem stosowania antybiotyków w przedsięwzięciach przemysłowych na dużą skalę, takich jak rolnictwo i produkcja. Chociaż geny zapewniające odporność wydają się być stosunkowo nowe dla tych patogenów, niektóre z nich pochodzą sprzed milionów lat u bakterii żyjących w pewnych dzikich ekosystemach. W połączeniu z eksperymentami, które pokazują, że wysokie poziomy antybiotyków sprzyjają rozprzestrzenianiu się oporności zarówno w obrębie gatunków bakterii, jak i między nimi, łatwo można wyciągnąć wniosek, że ludzkie patogeny nabyły te geny oporności ze środowiska ze względu na wzrastający poziom antybiotyków w otoczeniu.
Chociaż przyczyna i skutek wydają się jasne, badania nigdy nie ustaliły w pełni mechanizmów leżących u podstaw, powiedziałeś. Naukowcy wiedzą, że małe, swobodnie unoszące się wiązki DNA, zwane plazmidami, przenoszą geny odporności między komórkami. Jednak twoje własne badania wykazały, że obecność antybiotyków nie zwiększa szybkości, z jaką plazmidy dokonują tych zamian genów. Co zatem, pytali badacze, jest podstawową siłą napędzającą ten dobór naturalny?
W nowym artykule You i jego podoktor Yi Yao pokazali, że tym tajemniczym mechanizmem może być selekcja za pośrednictwem antybiotyków na „skoczących genach”, zwanych transpozonami, które przenoszą geny odporności z chromosomów komórki do plazmidów.
„Eksperymenty Yi zostały zaprojektowane w celu przetestowania tej możliwej ścieżki, która wyjaśnia, w jaki sposób różne patogeny faktycznie uzyskują oporność od gatunków środowiskowych” – powiedziałeś. „I pokazał, że jest to nie tylko możliwe, ale także bardzo prawdopodobne”.
Transpozony to maleńkie fragmenty DNA, które nieustannie przeskakują wewnątrz komórki. Mogą przeskakiwać z miejsca na miejsce w centralnej genetycznej bazie danych komórki i mogą przeskakiwać z bazy danych DNA do większych plazmidów zdolnych do przemieszczania się między komórkami lub odwrotnie. Może to prowadzić do chromosomów lub plazmidów zawierających wiele kopii tego samego schematu genetycznego.
W serii eksperymentów Yao wystawił komórki oporne na różne rodzaje antybiotyków na działanie różnych stężeń tego antybiotyku. Wraz ze wzrostem stężenia niezmiennie dochodził do punktu, w którym komórki niosące plazmidy z większą liczbą kopii genów odporności zaczęły konkurować ze swoimi rówieśnikami.
„Wszystkie krzywe wyglądały prawie tak samo” – powiedziałeś. „To naprawdę zaskakujące, jak silny jest ten trend”.
Naukowcy twierdzą, że liczba kopii transpozonów na plazmidach wpływa na to, ile białek oporności na antybiotyki wytwarza komórka. Ta produkcja wiąże się z kosztem energii i dopiero wtedy, gdy ilość antybiotyków osiągnie pewien poziom, dodatkowa wydatkowana energia jest cenną cechą.
Nie jest jednak jasne, czy wyższe poziomy antybiotyków bezpośrednio powodują zwiększenie aktywności transpozonów oporności w tych komórkach. Pokazuje raczej, że jeśli skok transpozonu już się dzieje, selekcja antybiotykami zawsze wzbogaca populację zawierającą geny odporności, które przeskoczyły do plazmidów.
Naukowcy twierdzą, że poziomy antybiotyków wymagane do rozpoczęcia tej selekcji różnią się znacznie w zależności od gatunku i konkretnych leków. Ale ten zakres nie jest rzadkością w dzisiejszych środowiskach naturalnych, potencjalnie wywierając presję potrzebną ludzkim patogenom do bardziej regularnego pobierania genów odporności.
„Pracujemy teraz nad udowodnieniem, że ta dynamika aktywnie występuje w rzeczywistych środowiskach, takich jak szpitale, a nie tylko na szalce Petriego” – powiedział. „Chcemy również sprawdzić, czy możemy wykorzystać tę wiedzę do selektywnego wybierania przepływu genów w celu optymalizacji bakterii zaprojektowanych do zastosowań przemysłowych”.
Praca ta była wspierana przez National Institutes of Health (R01A1125604, R01GM110494, R01EB029466), National Science Foundation (MCB-1937259) oraz David and Lucile Packard Foundation.
Źródło historii:
Materiały dostarczone przez Uniwersytet Książęcy. Oryginał napisany przez Kena Kingery’ego. Uwaga: Treść można edytować pod kątem stylu i długości.