Альтруизм у бактерий помогает им противостоять антибиотикам

С этой надписью на кружке — «Альтруизм — корень всех зол» — вполне согласятся современные медики, уставшие бороться с устойчивыми к антибиотикам бактериями. Как выяснилось, именно за счет альтруистических отношений бактерии быстро и эффективно вырабатывают резистентность к антибиотикам. Фото с сайта www.zazzle.com

Американские ученые открыли новый способ, с помощью которого бактерии вырабатывают устойчивость к антибиотикам. Для этого ученые подошли к проблеме устойчивости к антибиотикам нетрадиционно: исследовали не отдельных устойчивых мутантов, а всю популяцию выживших клеток. Они выяснили, что такие популяции содержат несколько удачливых мутантов и подавляющее большинство нерезистентных клеток. Мутанты сами по себе растут хуже исходных клеток, но вся колония демонстрирует неплохие показатели роста. Получается, что мутантные клетки за счет личных затрат берут на иждивение своих неизменившихся соседей, которые со своей стороны обеспечивают быстрое размножение клеток колонии в целом. В результате при мизерном изменении генофонда штамма все клетки защищены от вредного агента.

Трудно недооценить исследования, посвященные проблеме возникновения резистентности бактерий к антибиотикам. Сейчас производство новых антибиотиков напоминает соревнование на скорость: кто быстрее — бактерии или ученые-фармацевты. Ученые разрабатывают новые антибиотики, а бактерии учатся им противостоять. Короткий период этого забега используют пациенты, нуждающиеся в этом антибиотике. Чем длиннее забег, тем больше счастливых пациентов. Но время соревнования всё укорачивается, а в итоге всегда побеждают бактерии.

Как бактериям удается всё время побеждать? Все мы слышали о быстром появлении мутантных клеток, их предпочтительном выживании, быстром росте и дальнейшем успешном паразитировании мутантов даже в условиях высоких доз антибиотика. Трое американских ученых из Института Висса при Гарвардском университете, Медицинского института Говарда Хьюза и Бостонского университета пришли к выводу, что бактерии используют еще один путь для выработки резистентности — возможно, даже более эффективный. Если классическая схема предполагает выборочную элиминацию менее приспособленных клеток, то в обновленном варианте всё наоборот: в популяции приспособленные мутанты поддерживают неприспособленных соседей, за это те поддерживают высокие скорости роста всей колонии. Мы видим прекрасный модельный пример эволюционного возникновения альтруизма: некоторые бактерии затрачивают свои ресурсы на благо «общества», за счет чего всё общество выживает.

Этот альтруистический путь приспособления бактерий к антибиотику был доказан экспериментально с использованием клеток Escherichia coli, выращенных при увеличивающихся дозах антибиотика норфлоксацина. Опыт проводился так. Клетки растили на среде при концентрации норфлоксацина, убивающей около 2/3 популяции. Каждый день концентрация норфлоксацина корректировалась, чтобы этот показатель — 2/3 ингибирования — оставался стабильным. Каждый день из каждой пробы отбирались 12 случайных клеток и измерялась концентрация антибиотика, необходимая для подавления роста этих выделенных изолятов. Очевидно, что должен быть какой-то разброс в концентрации антибиотика — но какой именно? Результат оказался неожиданным.

Разными цветами показаны концентрации антибиотика, при которых рост клеток сокращается на 60% по сравнению с первоначальным ростом: красная линия — концентрация антибиотика, измеренная для остановки роста всей популяции, серые линии (их 12) — для каждого из изолятов, зеленый пунктир — ежедневная концентрация норфлоксацина в среде. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Мы видим на рисунке, что красная линия, соответствующая всей популяции бактерий, существенно выше, чем у отдельных клеток. Это означает, что вся популяция клеток гораздо лучше переносит присутствие антибиотика, чем каждая клетка по отдельности. При этом на 9–10-й день зарегистрированы клетки, резистентность которых выше среднего уровня. Получается, что приспособившиеся клетки не только не конкурируют, а даже наоборот — помогают соседям перенести высокие концентрации норфлоксацина.

Ученые постарались выяснить биохимический и генетический механизм приспособления отдельных клеток и всей популяции E. coli. С помощью хроматографии определили, что у слаборезистентных клеток отсутствует фермент триптофаназа, который необходим для превращения аминокислоты триптофана в индол; у высокорезистентных клеток триптофаназа вырабатывалась. Именно индол обеспечивал высокую устойчивость клеток в условиях лекарственного стресса: добавив в среду чистый индол, ученые получали высокую устойчивость у низкорезистентной колонии. Высокую концентрацию индола в среде поддерживали и клетки исходного штамма, а если низкорезистентные клетки на 10-й день эксперимента начать выращивать без антибиотика, то они снова начинают синтезировать индол (см. рисунок ниже). Таким образом, в присутствии антибиотика синтез индола не прекращался совсем, а просто приостанавливался из-за неподходящей внешней среды.

Исходный штамм и низкоустойчивые изоляты без антибиотиков вырабатывают индол, а в условиях лекарственного стресса прекращают его производство. Зато устойчивые мутанты вполне успешно продуцируют индол и с антибиотиком, и без него. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Еще более детальную картину механизмов приспособления клеток к антибиотику выявил генетический анализ мутантов. Среди них обнаружилось пять более или менее общих мутаций, и вовсе не в генах, кодирующих синтез индола. Мутировавшие гены просто обеспечивали повышенную сопротивляемость клетки за счет активного выброса антибиотика из клетки и синтеза антиоксидантов.

Получается, что общая резистентность популяции обеспечивалась выработкой индола, который в норме работает постоянно и обеспечивает неспецифическую защиту клеток E. coli. В присутствии антибиотика способность синтезировать индол исчезала, вероятнее всего из-за ингибирования синтеза триптофаназы. В результате беззащитная клетка погибала. Затем у единичных клеток происходили несколько мутаций, в том числе повышающих способность выброса из клеток антибиотика, индольная составляющая среды восстанавливалась, и все клетки вокруг мутантов получали возможность начать расти с нормальной скоростью.

Это означает, прослеженный механизм не является специфичным для норфлоксацина. Он будет успешно защищать клетку и при воздействии других антибиотиков. Ученые подтвердили это предположение. Они обнаружили и сходное соотношение низкоприспособленных и высокоприспособленных клеток в популяции, и такую же выработку индола мутантами в аналогичных опытах с гентамицином.

Итак, индол, выделяемый в среду мутантными клетками, поддерживает рост всех остальных, немутантных сожителей. Теперь пора задать очень важный вопрос: почему же устойчивые мутанты быстро не вытеснили своих менее приспособленных слабых соседей? Но не стоит забывать, что на выработку индола и триптофаназы затрачиваются клеточные ресурсы и энергия, поэтому рост мутантов должен идти медленнее по сравнению с исходными клетками.

Действительно, именно так и обстояло дело: мутанты росли медленнее, чем клетки исходного штамма. А исходные клетки, используя отданный в общее пользование индол, вовсю делились, обеспечивая высокие показатели роста. Было достаточно добавить к популяции 1% приспособившихся клеток, чтобы вся популяция легко переносила высокие концентрации антибиотика. Относительная частота мутаций от поколения к поколению менялась, выдвигая в лидеры то одну, то другую мутацию, при этом общее обилие мутантов было примерно постоянным. По предположению ученых, отбор таким способом поддерживает генотипическое и фенотипическое разнообразие в популяции. Но при этом важно, что генотип клеток в среднем меняется очень мало — 1% мутантов на 99% неизменных клеток. Вероятно, при снятии лекарственного стресса мутанты окажутся в проигрыше и частота «полезных» мутаций еще больше уменьшится.

Перед нами великолепный пример группового отбора, который способствует появлению и выживанию клеток, волею обстоятельств ставших альтруистами. (В оригинальной статье авторы ошибочно назвали этот отбор родственным, породив некую путаницу в понимании.) Если бы мутации позволили клеткам еще и быстро размножаться, то они стали бы не альтруистами, а сильными лидерами, и отбор свернул бы на классический путь конкуренции. В популяции бы закрепилась «полезная» мутация, в результате мы получили бы штамм изначально устойчивых к антибиотику быстрорастущих клеток. Их генотип отличался бы от родительского по мутантному гену.

Для читателей, больше интересующихся медицинской стороной вопроса, наверняка будут важны новые стратегии борьбы с инфекциями. А для академически настроенных читателей это исследование вместе с другими (см. Альтруисты процветают благодаря статистическому парадоксу, «Элементы», 16.01.2009; Честные дрожжи и дрожжи-обманщики могут жить дружно, «Элементы», 20.04.2010; и др.) даст повод задуматься о происхождении, роли и функциях альтруистических стратегий в эволюции.

Источник: Henry H. Lee, Michael N. Molla, Charles R. Cantor, James J. Collins. Bacterial charity work leads to population-wide resistance // Nature. 2010. V. 467. P. 82–85. 02 September 2010. DOI:doi:10.1038/nature09354.

Елена Наймарк

Последние новости: Эволюция, Генетика, Микробиология, Медицина, Елена Наймарк

2 февраля Флора тропических лесов — против гипотезы нейтральности

1 февраля Параллельная эволюция изучена в эксперименте на бактериях

25 января Экспериментально показано образование многоклеточных эукариот из одноклеточных предков

19 января Ископаемые эмбрионы из Доушаньтуо, вероятно, не эмбрионы

17 января Стресс помогает справиться с вредными мутациями

15 января Параллельная эволюция касты «сверхсолдат» у муравьев получила объяснение

29 декабря Табачная белокрылка заражается симбиотическими бактериями через кормовое растение

28 декабря Одну треть рыбных запасов оставить птицам — новый закон в экологии

22 декабря Многоклеточный организм надежнее строить из схожих по генетике клеток

21 декабря Стойкость органического вещества почвы объясняется не столько его строением, сколько условиями, в которых оно пребывает

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):