Устойчивость к антибиотикам: эволюция в действии?
Открытие антибиотиков стало одним из важнейших достижений в медицине, сильно повлияв на состояние здоровья людей. Многие бактериальные инфекции (например, туберкулез и раневые инфекции), от которых часто умирали люди, теперь можно было лечить, что спасло миллионы жизней.
За 15 лет после внедрения этих препаратов в 1930-х годах смертность только лишь в США снизилась примерно до 220 случаев на 100 000 населения в год. Все остальные медицинские технологии за последующие 45 лет снизили смертность еще примерно на 20 человек.1
Однако развитие устойчивости к антибиотикам ставит под угрозу этот успех. Во всем мире растет число инфекций, вызванных бактериями, устойчивыми ко многим или всем имеющимся в настоящее время антибиотикам. Кроме того, все меньше компаний работают над созданием новых антибиотиков. Если в 1990 году таких компаний было 18, то в 2011 году – всего четыре.2
Основной причиной такого сокращения является осознание того, что за появлением нового антибиотика вскоре следует резистентность, а разработка новых препаратов стоит больших денег. В 2015 году было объявлено об открытии нового класса антибиотиков, что стало первым успехом с 1987 года.3
Учебники по биологии, используемые в школах и университетах, часто представляют устойчивость к антибиотикам как пример «эволюции в действии», что якобы доказывает, что микробы могли измениться в микробиологов за миллиарды лет. Однако исследования биохимических механизмов, лежащих в основе резистентности, показывают, что развитие устойчивости не дает оснований для таких «масштабных» эволюционных изменений.
Обнаруженные типы изменений поддерживают креационный взгляд на жизнь, согласно которому естественные изменения ограничены и не могут изменить один базовый род организмов в другой.
Механизм резистентности
Ученые обнаружили три общие вида устойчивости:
- Изменение или защита мишени антибиотика.
- Ограничение доступа препарата к мишени.
- Инактивация антибиотика.
1. Изменение или защита мишени
Колистин (иначе известный как полимиксин Е) служит примером. В организме колистин представляет собой положительно заряженную молекулу, которая присоединяется к отрицательно заряженным молекулам (липополисахаридам или ЛПС), присутствующим во внешней мембране некоторых бактерий (грамотрицательных бактерий). Это связывание является важным первым шагом в процессе уничтожения бактерий.
Мутации в одной конкретной бактерии препятствуют производству ЛПС. Поэтому колистин не может связываться с бактериями и, следовательно, убивать их.4
Существуют и более сложные механизмы, благодаря которым это связывание не удается. Положительно заряженные ионы магния, которые связываются с отрицательно заряженным ЛПС, обычно стабилизируют клеточную мембрану этих видов бактерий. Когда концентрация магния низкая, у бактерий есть система маскировки отрицательных зарядов для поддержания стабильности мембраны.
В клетке есть система контроля, которая регулирует эту маскировку, включая ее только в случае необходимости. Мутация может повредить систему управления, в результате чего система маскировки будет постоянно включена. Клетка не может ее выключить.
Уменьшение открытого отрицательного заряда означает, что и здесь антибиотик не может связаться с клеткой и убить ее. В этом случае мутировавшая клетка тратит ресурсы, когда система не нужна, поэтому бактерии хуже выживают в отсутствие антибиотика.
С какой стороны ни посмотри, мутации нарушают существующую функцию, а не создают новый механизм с участием новых ферментов или белков.
2. Ограничение доступа препарата к мишени
Многие антибиотики должны попасть в бактерию, чтобы убить ее. Примером может служить фосфомицин, который убивает бактерии, блокируя производство важнейшего компонента клеточной стенки.
В клеточной стенке бактерий есть различные транспортные «насосы», которые перемещают питательные вещества в клетку. Хотя эти транспортеры очень избирательны в отношении того, что они переносят, фосфомицин структурно похож на один из обычных питательных веществ, которые они принимают, и поэтому этот антибиотик может попасть в клетку.
Мутации в генах, определяющих, как клетка производит транспортеры, или в регуляторных генах, стимулирующих их производство, могут привести к отсутствию транспортеров или к менее эффективной работе транспортеров. Это означает, что фосфомицин не попадает в клетку или попадает в незначительном количестве. Такие клетки устойчивы к фосфомицину.
И снова мутации нарушают нормальную функцию клетки: они не создают новые гены, новые белки или ферменты. Далеко не являясь «новой улучшенной моделью», устойчивые клетки также не могут принять то количество питательных веществ, которое обычно поступает через транспортеры, в силу того что последние теперь повреждены или отсутствуют.
Таким образом, в отсутствие антибиотика восприимчивые бактерии обычно конкурируют с устойчивыми бактериями; поэтому устойчивые бактерии составляют лишь небольшой процент от общей популяции.
Обратные насосы
Многие виды бактерий имеют насосы, которые выталкивают из клетки такие вещества, как токсины, называемые «эффлюксные насосы» (efflux pumps). Они также могут выталкивать антибиотики из клетки, тем самым не давая антибиотику убить ее.
Регуляция генов, участвующих в производстве эффлюксных насосов, сложна, но мутации в регуляторах, ограничивающих количество насосов, могут привести к тому, что их будет производиться гораздо больше, что сделает клетку устойчивой к антибиотику. Этот способ резистентности особенно важен для антибиотиков класса фторхинолонов.5
Отметим также, что при нарушенной системе регуляции клетки тратят ресурсы на производство лишних насосов, когда последние не нужны; таким образом, мутантные клетки менее приспособлены к выживанию в отсутствие антибиотика.
В каждом случае мутации «ломают» гены для насосов или систем, регулирующих их производство. Это не дает оснований утверждать, что мутации создают новые гены, необходимые для эволюции от бактерий к бактериологам.
3. Инактивация антибиотика
Ферменты, вырабатываемые бактерией, могут разрушать (метаболизировать) антибиотик. Например, ферменты, называемые β-лактамазами, могут расщеплять пенициллины.
Может показаться, что бактерия, столкнувшаяся с антибиотиком и затем приобретшая такую способность, является прекрасным примером эволюции – новый фермент; новый ген. Однако в известных случаях механизм производства фермента, разрушающего антибиотики, никогда не возникал путем мутации. Так как же он появился?
Перенос генов
В настоящее время известно, что бактериальная клетка может приобрести способность разрушать антибиотик у другой бактерии, которая уже устойчива к нему.
Гены такой устойчивости могут находиться на небольших петлях ДНК, называемых плазмидами, которые являются внешними по отношению к одной круглой бактериальной хромосоме. Эти плазмиды могут передаваться не только между разными бактериями, но даже между разными видами.6
Один из механизмов заключается в соединении устойчивой бактерии с плазмидой с бактерией без нее с помощью трубки (пилуса).7 Устойчивая бактерия копирует плазмиду и «дарит» копию восприимчивой бактерии (см. статью в Википедии).
Многие плазмиды содержат несколько генов устойчивости к различным видам антибиотиков.
Опять же, при этом виде резистентности новые гены не появляются, а существующие гены передаются от резистентного типа к восприимчивому типу.8
Поломка систем контроля
Химические структуры двух антибиотиков: пенициллин (вверху) и фосфомицин (внизу)Устойчивость к пенициллину является классическим примером.
Некоторые бактерии вырабатывают небольшое количество пенициллиназы для расщепления небольшого количества пенициллина, встречающегося в природе в окружающей среде, но недостаточное для того, чтобы справиться с тем количеством, которое дается пациентам. Мутация в системе, ограничивающей количество вырабатываемой пенициллиназы, может означать, что ее вырабатывается гораздо больше, поэтому бактерии становятся устойчивыми.
Однако, как и в некоторых других случаях, описанных выше, в дикой природе эти устойчивые бактерии, которые больше не могут контролировать производство пенициллиназы, будут вытеснены бактериями, которые не тратят ценные ограниченные ресурсы на производство пенициллиназы.
Естественный отбор?
Во всех этих случаях естественный отбор будет благоприятствовать устойчивым штаммам там, где присутствует большое количество антибиотика. Однако, хотя естественный отбор объясняет выживание резистентности, он не объясняет ее появление.
Устойчивость возникает в результате изменения (как правило, поломки) существующей системы или переноса генов от тех, кто уже обладает ею. Если имело место мутация, которая что-то нарушила, естественный отбор будет стремиться устранить устойчивые штаммы в дикой природе, но будет благоприятствовать им в среде, насыщенной антибиотиками.
Заключение
Исследование устойчивости к антибиотикам выявило несколько хороших примеров мутаций и естественного отбора, которые помогли бактериям приспособиться к выживанию в условиях антибиотиков. Однако ни одно из этих открытий не подтверждает идею о том, что случайные изменения существующих генов/ДНК (мутации) могут породить многие тысячи новых генов и генных сетей, необходимых для превращения микробов в человечество, манго и котов.
На самом деле, изученные выше примеры подчеркивают, насколько ограничены возможности мутаций с позиции «восходящей» эволюции.
-
[^1]: Spellberg, B., The antibacterial pipeline: why it is drying up, and what must be done about it, In: Antibiotic Resistance: Implications for Global Health and Novel Intervention Strategies: Workshop Summary, National Academies Press, p. 327, 2011.
[^2]: Cooper, M.A. and Shlaes, D., Fix the antibiotics pipeline, Nature 472(7341):32, 2011 | doi:10.1038/472032a.
[^3]: Ling, L.L. et al., A new antibiotic kills pathogens without detectable resistance, Nature 517(7535):455–459, 2015 | doi:10.1038/nature14098; the antibiotic is called teixobactin.
[^4]: Moffatt, J.H. et al., Colistin resistance in Acinetobacter baumannii is mediated by complete loss of lipopolysaccharide production, Antimicrob. Agents Chemother. 54(12):4971–7, 2010 | doi: 10.1128/AAC.00834-10.
[^5]: Blair, J.M.A., Richmond, G.E., and Piddock, L.J.V., Multidrug efflux pumps in Gram-negative bacteria and their role in antibiotic resistance (review), Future Microbiology 9(10):1165–1177, 2014; | doi:10.2217/fmb.14.66.
[^6]: Существуют и другие способы передачи генов устойчивости: бактериофаги (вирусы, заражающие бактерии), транспозоны и «голая ДНК».
[^7]: Это называется «коньюгация» (спряжение).
[^8]: Эволюционисты предполагают, что эти гены (например, для создания разрушающего пенициллин фермента β-лактамазы) должны были первоначально возникнуть путем мутации, но это убеждение не соответствует наблюдениям.
