Почвенные микробы растут на антибиотиках
|
Американские ученые провели масштабную проверку устойчивости почвенных бактерий к различным антибиотикам. Даже более того, почвенные бактерии выращивались на среде, в которой единственным источником углерода были сами антибиотики. Оказалось, что почвенные бактерии отлично утилизируют все 8 известных на сегодняшний день классов антибиотиков. Среди почвенных бактерий имеются многочисленные родичи патогенов человека и сельскохозяйственных животных, поэтому почвенная микробиота представляет собой практически неисчерпаемый источник новых механизмов устойчивости болезнетворных бактерий к антибиотикам.
Термин «антибиотик» был предложен З. Ваксманом, получившим в 1952 году Нобелевскую премию за открытие стрептомицина. Именно он предложил называть так все вещества, вырабатываемые микроорганизмами для уничтожения или нарушения развития других микроорганизмов-противников. Само же слово «антибиос» («анти» — против, «биос» — жизнь), как форма сосуществования микроорганизмов в природе, когда один организм убивает или подавляет развитие «противника», придумал Луи Пастер. Но Пастер вкладывал в него особый смысл: не просто «против жизни», а «жизнь — против жизни».
Новое исследование американских микробиологов, посвященное исследованию устойчивости микробов к антибиотикам, заставляет задуматься не только о клинических источниках резистентности, не только о теоретических моделях ее возникновения, но и о самом смысле термина «антибиотик».
Группа американских микробиологов с факультета генетики Гарвардской медицинской школы (США) работали с образцами почв из различных природных и городских ландшафтов. Всего в работе оказалось 11 образцов: 3 образца городских почв, 3 – из фермерских хозяйств, 5 — из местностей с минимальным антропогенным вмешательством. Из этих образцов выделили бактерий, устойчивых к антибиотикам. Для этого образцы трижды с недельным промежутком промывали раствором антибиотиков. Тех бактерий, которые перенесли этот отбор, затем культивировали на среде, содержащей антибиотики. Мало того, антибиотики были единственным источником углерода для этих бактерий!
Оказалось, что многие бактерии не просто обладают устойчивостью к антибиотикам, но и могут расти, питаясь только ими. Возможные загрязнения антибиотиков, вносимых в раствор, как подсчитали ученые, не могли обеспечить того роста, который был зарегистрирован в эксперименте. Также авторы проконтролировали и возможную фиксацию атмосферного углерода. Всего на этой неожиданной «пище» оказались способны существовать 75 различных штаммов. В основном это были представители протеобактерий (Proteobacteria) (87%), среди которых наиболее разнообразно были представлены группы Burkholderiales и Pseudomonadales [http://en.wikipedia.org/wiki/Pseudomonadales]. Бактерии этих групп включают в том числе и тех, что вызывают заболевания человека и сельскохозяйственных животных. Среди них Serratia marcescens и Burkholderia cepacia complex, которые являются причиной заболеваний дыхательной и мочеполовой систем у человека.
Ученые использовали 18 антибиотиков из известных на сегодняшний день 8 классов антибиотиков. С каждым из веществ они работали отдельно. Среди этих 18 антибиотиков не обнаружилось таких, на которых не вырос хотя бы один штамм микробов. 6 из 18 поддерживали рост бактерий из всех образцов почв. Среди них — и хорошо известный пенициллин G (бензилпенициллин): его усваивали все исследованные бактерии из почвенных образцов. Также хорошо усваивался бактериями карбенициллин (Carbenicillin), а на диклоксациллине (Dicloxacillin) росли бактерии из 9 образцов почв. Это те антибиотики, которые наиболее широко прописываются больным с различными инфекционными заболеваниями.
С помощью жидкостной хроматографии авторы показали, что именно проделывают почвенные бактерии, например, с пенициллином. Химическая структура пенициллинов представляет собой соединение с так называемым бета-лактамным кольцом (см. Бета-лактамы, Бета-лактамные антибиотики; Beta-lactam). Его расщепление начинается с гидролиза бета-лактамного кольца с образованием бензилпеницилловой кислоты, затем происходит декарбоксилирование, в результате получается бензилпениллоевая кислота:
|
Продукты этих реакций — бензилпеницилловую и бензилпениллоевую кислоты — отследили на хроматограммах. Авторы работы в Science подчеркивают, что и болезнетворные микроорганизмы справляются с пенициллином таким же точно способом. Это означает, что и при разложении и утилизации антибиотиков почвенными бактериями, и при выработке устойчивости к антибиотиками в клинических условиях используются одни и те же механизмы.
А значит, патогены при выработке устойчивости к лекарственным антибиотикам могут воспользоваться опытом своих почвенных родичей, давно нашедших пути их обезвреживания или даже утилизации. Ведь у родственных видов бактерий многие рецепторы и сигнальные пути, то есть инструменты для биохимического действия, сходны. Горизонтальный перенос генов, способных обеспечить устойчивость к антибиотикам, явно облегчен. Патогенам ведь не нужно инкорпорировать весь процесс переработки антибиотиков, а только лишь начальные этапы их разложения. Так что природная среда, и в особенности почва городов, могут служить неисчерпаемым источником устойчивости болезнетворных микробов к антибиотикам. Микробы из городских почв по сравнению с микробиотой из других почв, как выяснилось, лучше утилизировали антибиотики — только на трех из 18 антибиотиков городские микрожители не смогли вырасти.
Авторы отмечают, что экологическая роль антибиотиков в природе до сих пор не ясна. Терминология покрывает только одну из многочисленных функций природных антибиотиков — «против жизни», но в действительности их функции могут быть существенно разнообразнее. Данный эксперимент показал и прямо противоположную роль — поддержание жизни, то есть «за жизнь».
Источник: Gautam Dantas, Morten O. A. Sommer, Rantimi D. Oluwasegun, George M. Church. Bacteria Subsisting on Antibiotics // Science. 4 April 2008. V. 320. P. 100–103.
Елена Наймарк
