Хитрість мікробів: вчені зʼясували, як бактерії рятують своїх сусідів від антибіотиків

Давно відомо, що бактерії можуть допомагати одна одній протистояти антибіотикам, обмінюючись «генами резистентності». Однак якщо горизонтальне перенесення генів вивчене добре, то механізми й наслідки горизонтального трансферу білків досліджені значно менше. Науковці з Медичного коледжу Бейлора вирішили перевірити, чи можуть бактерії безпосередньо ділитися й білками: попередні роботи на це натякали, але переконливих доказів бракувало.

«Деякі вцілілі після антибіотикотерапії мікроорганізми не мають набутої генетичної стійкості — натомість вони тимчасово вимикають певні ланки свого метаболізму, входячи в стан, схожий на сплячку, що дає їм змогу пережити антибіотикотерапію й згодом знову розмножитися. Розуміння того, як такі вцілілі утворюються й виживають, — одне з ключових завдань у боротьбі зі стійкими інфекціями», — пояснили автори нового дослідження.

Щоб детальніше вивчити процес перенесення білків, науковці розробили чутливу систему на основі E. coli. Одну групу бактерій (донорів) сконструювали так, щоб вони синтезували фермент Cre, а іншу групу кишкових паличок (реципієнтів) — так, щоб вони містили генетичний «тумблер», який міг спрацювати лише тоді, коли білок Cre потрапляв до реципієнта. За допомогою цієї моделі вчені зʼясували, що за звичайних умов перенесення білків між донорами й реципієнтами траплялося рідко. Натомість коли бактерії піддавали впливу низьких несмертельних доз антибіотиків, обмін білками зростав у тисячі разів.

Далі вчені встановили, як саме білки переходять від однієї клітини до іншої. Виявилося, що перенесення тривало навіть після видалення донорських клітин, коли залишалася саме лише середовище, у якому вони росли. Це виключило прямий контакт між клітинами й вказувало на певну активну субстанцію, що вивільняється в середовище. Поєднавши біохімічні методи з передовою мікроскопією, команда дослідників встановила, що «рятівні» білки — компоненти рибосом, метаболічних ферментів чи факторів репарації ДНК — переносять крихітні мембранні везикули. Ці структури, схожі на дрібні бульбашки, утворюються з бактеріальної мембрани, відокремлюються від клітин і вільно плавають у середовищі. Уважніше вивчивши свою модель, науковці помітили, що клітини-реципієнти демонстрували виразні ознаки сплячки: уповільнювали синтез білка, знижували метаболізм і вмикали гени, повʼязані з персистенцією, зокрема HipA.

«Клітини-реципієнти з високою активністю HipA частіше поглинали везикули з білками й виживали після лікування антибіотиками. Коли ж ген HipA було вилучено, і адсорбція білків, і виживаність різко падали», — розповіли автори роботи.

Трансфер білків допомагав сплячим бактеріям пережити навіть смертельні дози антибіотиків: коли клітини перед лікуванням насичували великою кількістю везикул, рівень їх виживаності зростав. На думку авторів, перенесені білки допомагають сплячим клітинам витримувати стрес, поки їх власний синтез білка вимкнено. Поглинання ключових білків від активних сусідів дає «сплячим» патогенам змогу долати руйнівний стрес.

Це відкриття може пояснити, чому деякі бактерії так важко знищити, і водночас вказує на можливі майбутні підходи до підвищення дієвості антибіотиків. Наразі дослідники визначають, які саме білки у складі везикул відповідають за виживаність реципієнтів. Розуміння взаємодії між донорами й реципієнтами відкриває нові можливості в боротьбі з хронічними та стійкими інфекціями.