Бактериите се обединяват, за да оцелеят, когато антибиотиците ги атакуват

Изследователи от Медицинския колеж „Бейлър“, Хюстън, САЩ, установяват, че бактериалните популации работят като истински екип, за да оцелеят в случаите, когато антибиотиците ги атакуват. Оказва се, че те обединяват ресурсите си и помагат на латентните (латентен - скрит или протичащ незабележимо) или спящи клетки да се спасят. Анализът на учените обяснява защо е изключително трудно да бъдат унищожени някои бактерии, но и предлага варианти за подобряване на ефективността на антибиотиците.

Какво знаят учените до момента

Научната общност знае отдавна, че бактериите могат да си помагат взаимно в борбата с антибиотиците. Правят го като обменят гени, които всъщност осигуряват резистентността. В същото време основната задача на антибиотиците е да убиват бактериите или поне да спрат растежа им. Често обаче след приема на антибиотици се оказва, че независимо колко са малко, група бактерии остават живи.

„Тези оцелели бактерии не са генетично резистентни, вместо това те временно спират определени части от метаболизма си като изпадат в състояние, което е подобно на латентност и им позволява да издържат на лечението, а по-късно да се възстановят напълно. Разбирането затова как оцелелите се формират и остават, е основното предизвикателство в битката с персистиращите (постоянни, неизчезващи, продължаващи дълго време) инфекции“, казва водещият автор на изследването проф. Кристоф Хърман, специалист по молекулярна и човешка генетика и молекулярна вирусология и микробиология в „Бейлър“.

Върху това познание във всичките му измерения стъпва екипът в изследването си, посветено на бактериите, тяхната устойчивост и резистентността.

Проучването

В настоящото изследване проф. Хърман и колегите му проучват дали бактериите могат директно да споделят протеини, тъй като това са молекулярните машини, които извършват по-голямата част от работата в клетките. Има множество научни разработки, които показват, че бактериите могат да споделят протеини, но доказателствата не са достатъчно ясни.
За да открият така нареченият трансфер на протеини, учените проектират система, която е много чувствителна и използва бактерията Escherichia coli.

“Проектирахме една група бактерии (донори) да произвеждат специален ензим, наречен Cre, и друга група от същите бактерии (реципиенти), които съдържат генетичен превключвател. Той може да превключи единствено ако Cre протеинът попадне в реципиента“, разказва за начина, по който работят д-р Алис Шуйен Уен, която е част от екипа.

Изследователите наблюдават, че когато донорските и реципиентните бактерии се отглеждат заедно, има трансфер на протеини, но при нормални условия това се случва рядко. Когато обаче бактериите са изложени на ниски и несмъртоносни нива на антибиотици, то трансферът на протеини се увеличава няколко хиляди пъти.

Следващата стъпка на учените е да проучат как протеините се преместват от една клетка в друга.

„Открихме, че трансферът все още се случва дори след отстраняването на донорските клетки, оставяйки само течността, в която са се развивали. Това изключва директен клетъчен контакт и показва, че протеините са били освободени във външната среда“ пояснява д-р Уен.

Като комбинират биохимични техники и усъвършенствана микроскопия, учените откриват, че малки структури, наречени мембранни везикули, транспортират протеините. Везикулите приличат на малки мехурчета, които са изградени от бактериална мембрана. Те се откъсват от клетките и се носят свободно.

Учените задълбочават изследването. Така забелязват, че реципиентните клетки показват силни признаци на латентност. Забавят производството на протеини, метаболизмът им намалява и активират гени, свързани с персистенцията, като например, HipA.

Изводът, който правят изследователите, е, че реципиентните клетки с висока HipA активност са по-склонни да поемат везикулите, които носят протеини ида преживеят лечението с антибиотици. Така е, защото опитите показват, че когато премахнат HipA както усвояването на протеини, така и оцеляването намаляват.

Трансферът на протеини също помага на спящите бактерии да оцелеят след като са били подложени на антибиотици, тоест излагането на клетките на повишена концентрация на везикули преди началото на лечение с антибиотици води до по-голяма преживяемост. Точно трансферираните протеини помагат на спящите клетки да издържат стреса.

Резултатите

„Настоящата разработка предоставя директни доказателства за хоризонтален трансфер на протеини между бактерии, медииран от мембранни везикули“. Разкрива още, че антибиотиците стимулират диференциацията на бактериите в отделни групи клетки, които произвеждат везикули и приемат протеини, което позволява на персистиращите бактерии с намален протеинов синтез да придобиват протеини“, пишат авторите в статия с резултатите от проучването, публикувана в списание Science.

“Проучването ни показа, че антибиотиците карат генетично идентична група бактерии да се идентифицира в две отделни групи – донорски клетки, които реагират чрез освобождаване на везикули, пълни с протеини, и реципиентни клетки, които остават латентни, но способни да поемат протеини от входящите везикули, което им помага да оцелеят“, обобщава проф. Кристоф Хърман и допълва, че точно тази екипна работа позволява на уязвимите членове на бактериалната популация да се запазят в условията на потенциално смъртоносната антибиотична атака.

Учените от Медицинския колеж „Бейлър“ смятат, че разбирането на взаимодействията донор-реципиент между бактериите отваря нова страница в борбата с хроничните инфекции и с болезнената тема за антибиотичната резистентност.