Уже Александр Флеминг в своей Нобелевской речи 1945 года предупреждал: если давать пенициллин в недостаточных дозах, бактерии научатся ему сопротивляться. Так и произошло. Сегодня устойчивость бактерий к антибиотикам — одна из главных угроз здоровью людей. Бактерии, устойчивые сразу ко многим антибиотикам, называют «супербактериями». В статье по порядку разобраны: что такое устойчивость, как она возникает (мутации и отбор), какими механизмами бактерии защищаются, как гены устойчивости передаются между бактериями и почему эта проблема — живой пример эволюции.
- 1. Понятия
- 2. Как возникает устойчивость: мутации и отбор
- 3. Опыт Ледербергов
- 4. Четыре механизма защиты
- 5. Горизонтальный перенос генов
- 6. Биоплёнки и персистеры
- 7. Цена устойчивости
- 8. Что нужно знать к ЕГЭ
- 9. Для олимпиад
- Задания с разбором
1. Понятия
- Устойчивость (резистентность) — способность бактерии расти при концентрации антибиотика, которая подавляет рост обычных бактерий этого вида.
- Природная устойчивость — свойство всего вида, связанное со строением: у микоплазм нет клеточной стенки, и пенициллин на них не действует; наружная мембрана грамотрицательных бактерий не пропускает ванкомицин.
- Приобретённая устойчивость — возникает у части бактерий вида в результате мутаций или получения генов от других бактерий.
- Множественная лекарственная устойчивость — устойчивость к нескольким группам антибиотиков; при устойчивости почти ко всем доступным препаратам говорят о широкой и полной устойчивости.
- Толерантность — способность пережить действие антибиотика без роста в его присутствии (раздел 6). Это не то же самое, что устойчивость.
2. Как возникает устойчивость: мутации и отбор
Бактерия не «привыкает» к антибиотику и не «учится» ему сопротивляться. Устойчивость возникает по законам естественного отбора:
- Изменчивость. В огромной популяции бактерий (в организме больного — миллиарды клеток) при каждом делении возникают случайные мутации. Частота мутаций в отдельном гене — около одной на 107–109 делений, поэтому среди миллиардов бактерий почти наверняка найдутся мутанты, устойчивые к антибиотику, ещё до его применения.
- Отбор. Антибиотик убивает чувствительных бактерий, а устойчивые выживают.
- Размножение. Устойчивые бактерии размножаются, не встречая конкуренции, и передают устойчивость потомкам.
Антибиотик — фактор отбора, а не причина мутаций. Чем чаще и шире применяются антибиотики, тем сильнее отбор в пользу устойчивых. Бактерии делятся каждые 20–60 минут, поэтому эволюция идёт на наших глазах.
Гены устойчивости существуют в природе давно: их нашли у бактерий из вечной мерзлоты возрастом 30 тысяч лет и из пещеры, изолированной миллионы лет. Почвенные бактерии, вырабатывающие антибиотики, защищают себя от собственного оружия, а их соседи вырабатывают защиту. Человек лишь резко усилил отбор.
3. Опыт Ледербергов
Возникают ли устойчивые мутанты под действием антибиотика или существовали до него? В 1952 году Джошуа и Эстер Ледерберг ответили на этот вопрос методом отпечатков (реплик).
- Бактерии кишечной палочки посеяли на чашку с питательной средой без антибиотика; выросли сотни колоний.
- К чашке прижали стерильный бархат, на ворсинках которого остались клетки из каждой колонии, и этим бархатом сделали отпечаток на чашке со стрептомицином. Расположение колоний на обеих чашках совпадало.
- На чашке со стрептомицином выросли лишь немногие колонии — устойчивые.
- Взяли с исходной чашки (без антибиотика) колонии, находящиеся на тех же местах, и проверили их: они оказались устойчивыми, хотя никогда не встречались со стрептомицином. Колонии из других мест были чувствительными.
Вывод: мутации устойчивости возникают случайно и до контакта с антибиотиком; антибиотик лишь отбирает их. Опыт подтвердил, что эволюция идёт путём отбора случайных ненаправленных изменений, а не приспособительного изменения под действием среды. Ранее (1943) к тому же выводу пришли Сальвадор Лурия и Макс Дельбрюк, изучавшие устойчивость бактерий к фагам.
4. Четыре механизма защиты
| Механизм | Суть | Примеры |
|---|---|---|
| Разрушение или изменение антибиотика | Бактерия синтезирует ферменты, расщепляющие или химически изменяющие молекулу антибиотика | Бета-лактамазы расщепляют бета-лактамное кольцо пенициллинов и цефалоспоринов; карбапенемазы — даже карбапенемы; ферменты, присоединяющие к аминогликозидам ацетильные и фосфатные группы |
| Изменение мишени | Мишень изменяется так, что антибиотик с ней не связывается, но функция сохраняется | Стафилококк, устойчивый к метициллину, получил ген нового фермента сшивания стенки, не связывающего бета-лактамы; у энтерококков, устойчивых к ванкомицину, конец пептида муреина изменён (аланин заменён молочной кислотой); метилирование рРНК делает рибосому нечувствительной к макролидам; мутации гиразы — к фторхинолонам |
| Снижение проникновения | Уменьшается число белков-каналов (поринов) в наружной мембране | Синегнойная палочка, клебсиелла теряют порины, через которые проходят карбапенемы |
| Активное выведение | Белковые насосы в мембране выкачивают антибиотик из клетки, расходуя энергию | Насосы, выводящие сразу многие антибиотики, — одна из причин множественной устойчивости |
Против бета-лактамаз создают ингибиторы — вещества, связывающие фермент (клавулановая кислота, тазобактам, авибактам). Их назначают вместе с антибиотиком, например амоксициллин с клавулановой кислотой.
5. Горизонтальный перенос генов
Если бы устойчивость возникала только мутациями, она распространялась бы медленно. Но бактерии обмениваются генами, в том числе с другими видами.
- Конъюгация — передача плазмиды от одной клетки к другой через белковый мостик (половую ворсинку). Одна плазмида может нести гены устойчивости к 5–10 антибиотикам одновременно.
- Трансформация — поглощение бактерией ДНК из среды (например, от погибших бактерий).
- Трансдукция — перенос фрагмента ДНК бактериофагом.
Гены устойчивости часто находятся на транспозонах («прыгающих генах») — участках ДНК, способных перемещаться между хромосомой и плазмидами, — и в интегронах, «собирающих» гены устойчивости в наборы. Поэтому один перенос может дать бактерии множественную устойчивость сразу.
Пример: ген mcr-1, дающий устойчивость к колистину — антибиотику последнего резерва, — был обнаружен в 2015 году на плазмиде у бактерий свиней в Китае, где колистин широко применяли в животноводстве. В течение нескольких лет его нашли у бактерий людей и животных в десятках стран.
6. Биоплёнки и персистеры
- Биоплёнка — сообщество бактерий, прикреплённых к поверхности и окружённых слизистым внеклеточным веществом (из полисахаридов, белков, ДНК). Биоплёнки образуются на катетерах, протезах, зубах, в лёгких больных муковисцидозом. Вещество плёнки замедляет проникновение антибиотика, а бактерии внутри растут медленно. В биоплёнке бактерии переносят дозы антибиотика в сотни раз большие, чем свободные клетки, и легко обмениваются генами.
- Персистеры — редкие (около 0,001–1 %) клетки популяции, находящиеся в состоянии покоя. Антибиотики, действующие на растущие клетки, их не убивают. Персистеры генетически не отличаются от остальных: если их пересеять, они дают обычную чувствительную популяцию. Но после окончания лечения они снова начинают расти и вызывают рецидив. Персистеры описал ещё в 1944 году Джозеф Биггер, изучавший действие пенициллина на стафилококков.
7. Цена устойчивости
Устойчивость обычно «стоит» бактерии ресурсов: синтез ферментов и насосов, плазмиды с лишними генами, изменённые мишени работают хуже исходных. Поэтому в отсутствие антибиотика устойчивые бактерии часто растут медленнее чувствительных и постепенно вытесняются. Это основа политики разумного применения антибиотиков: если ограничить использование препарата, доля устойчивых может снижаться. Но бактерии приобретают компенсаторные мутации, уменьшающие эту цену, и устойчивость может сохраняться годами.
Примеры самых опасных устойчивых бактерий и способы борьбы с ними — в статье «Супербактерии в действии».
8. Что нужно знать к ЕГЭ
- Устойчивость к антибиотикам — пример естественного отбора: антибиотик отбирает существующих устойчивых мутантов.
- Мутации возникают случайно и ненаправленно; антибиотик их не вызывает.
- Гены устойчивости часто находятся в плазмидах и передаются между бактериями при конъюгации.
- Нельзя самовольно прерывать курс лечения и использовать антибиотики при вирусных инфекциях.
Повторить естественный отбор можно в уроке «Элементарные факторы эволюции и формы отбора», бактерии — в уроке «Бактерии и археи», а также в тренажёре по теме 6.2.
Частые ошибки. 1) «Бактерии привыкают к антибиотику» — устойчивость возникает отбором мутантов. 2) «Антибиотик вызывает мутации устойчивости» — мутации возникают случайно, до встречи с антибиотиком. 3) «Устойчивость появляется у человека» — устойчивыми становятся бактерии, а не организм человека. 4) «Персистеры — устойчивые мутанты» — это покоящиеся клетки без генетической устойчивости.
9. Для олимпиад
Тест Лурии — Дельбрюка
Лурия и Дельбрюк вырастили много одинаковых культур из небольшого числа клеток и затем высевали каждую на среду с бактериофагом, считая устойчивые колонии. Если бы устойчивость возникала под действием фага, в каждой культуре было бы примерно одинаковое число устойчивых колоний (распределение близко к пуассоновскому: дисперсия равна среднему). Наблюдалось иное: в большинстве культур устойчивых было мало или не было, а в отдельных — очень много («джекпоты»). Это объясняется тем, что мутация возникала случайно в разное время роста культуры: если рано — успевала дать многочисленное потомство. Дисперсия значительно превышала среднее, что доказывало спонтанность мутаций. Нобелевская премия 1969 года.
Окно отбора
Между концентрацией, подавляющей чувствительных бактерий, и концентрацией, подавляющей также однократных мутантов, существует диапазон, в котором отбираются устойчивые мутанты, — «окно отбора мутантов». Если концентрация антибиотика в тканях долго находится в этом окне (при малых дозах или нерегулярном приёме), устойчивость развивается быстро. Поэтому врач назначает дозу и интервалы так, чтобы концентрация была выше окна или как можно меньше времени в нём находилась.
Задания с разбором
Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.
Задание 1
Объясните с позиций эволюционной теории, как в больнице распространяются устойчивые к антибиотикам бактерии.
Разбор
1) В популяциях бактерий случайно возникают мутации и приобретаются гены устойчивости (наследственная изменчивость). 2) Частое применение антибиотиков убивает чувствительных бактерий — действует естественный отбор. 3) Устойчивые бактерии выживают, размножаются без конкуренции и передают устойчивость потомкам и другим бактериям (плазмиды). 4) Доля устойчивых бактерий в больнице растёт.
Задание 2
Опишите опыт Ледербергов и сделайте из него вывод.
Разбор
1) Колонии бактерий с чашки без антибиотика с помощью бархата перенесли на чашку со стрептомицином, сохранив расположение. 2) На ней выросли немногие колонии. 3) Колонии с тех же мест исходной чашки, никогда не встречавшиеся с антибиотиком, оказались устойчивыми. 4) Вывод: мутации устойчивости возникают случайно до контакта с антибиотиком; антибиотик их только отбирает.
Задание 3
Как бета-лактамаза защищает бактерию от пенициллина? Почему амоксициллин назначают вместе с клавулановой кислотой?
Разбор
1) Бета-лактамаза — фермент, расщепляющий бета-лактамное кольцо пенициллина, и антибиотик теряет способность связываться с ферментами синтеза стенки. 2) Клавулановая кислота связывается с бета-лактамазой и выключает её. 3) Амоксициллин остаётся целым и действует на бактерию.
Задание 4
Почему гены устойчивости, находящиеся в плазмидах, распространяются быстрее, чем мутации в хромосоме?
Разбор
1) Плазмиды передаются при конъюгации от клетки к клетке, в том числе между разными видами бактерий (горизонтальный перенос), а не только потомкам. 2) Одна плазмида часто несёт гены устойчивости сразу к нескольким антибиотикам. 3) Поэтому устойчивость распространяется по популяции и между видами за короткое время.
Задание 5
Почему инфекции, связанные с биоплёнками на катетерах и протезах, трудно вылечить?
Разбор
1) Внеклеточное вещество биоплёнки замедляет проникновение антибиотика. 2) Бактерии в глубине плёнки растут медленно, а многие антибиотики действуют только на растущие клетки. 3) В плёнке много покоящихся клеток-персистеров; бактерии легко обмениваются генами устойчивости. Обычно приходится удалять заражённый катетер или протез.
Задание 6
После лечения антибиотиком инфекция вернулась, но бактерии, выделенные у больного, оказались чувствительны к тому же антибиотику. Как это объяснить?
Разбор
1) В популяции бактерий были персистеры — покоящиеся клетки, не убиваемые антибиотиком, действующим на растущих бактерий. 2) После окончания лечения они вышли из покоя и размножились. 3) Генетически они не отличаются от остальных, поэтому их потомство чувствительно к антибиотику. Это толерантность, а не устойчивость.
Задание 7
Почему после ограничения применения антибиотика доля устойчивых к нему бактерий в больнице может снизиться?
Разбор
1) Устойчивость требует затрат: синтеза ферментов и насосов, поддержания плазмид; изменённые мишени работают хуже. 2) Без антибиотика отбор в пользу устойчивых прекращается, и они растут медленнее чувствительных. 3) Чувствительные бактерии постепенно вытесняют устойчивых. Но снижение может быть медленным из-за компенсаторных мутаций.
Задание 8 (олимпиадное)
В опыте Лурии и Дельбрюка в 20 параллельных культурах число устойчивых к фагу колоний было: в 11 культурах — 0, в 5 — 1–3, в 3 — 10–20, в одной — 300. Какая гипотеза о происхождении устойчивости подтверждается? Обоснуйте.
Разбор
1) Если бы устойчивость возникала под действием фага при посеве, все культуры имели бы близкое число устойчивых колоний с небольшим разбросом (дисперсия ≈ среднему). 2) Наблюдается огромный разброс: в большинстве культур устойчивых нет, а в одной — сотни («джекпот»). 3) Это объясняется спонтанными мутациями, возникавшими в разное время роста культуры: ранняя мутация успевает дать многочисленное потомство. Подтверждается гипотеза случайных мутаций до встречи с отбирающим фактором.
Литература
- Lederberg J., Lederberg E. M. Replica plating and indirect selection of bacterial mutants // Journal of Bacteriology. 1952. Vol. 63. P. 399–406.
- Luria S. E., Delbrück M. Mutations of bacteria from virus sensitivity to virus resistance // Genetics. 1943. Vol. 28. P. 491–511.
- D'Costa V. M. et al. Antibiotic resistance is ancient // Nature. 2011. Vol. 477. P. 457–461.
- Liu Y.-Y. et al. Emergence of plasmid-mediated colistin resistance mechanism MCR-1 in animals and human beings in China // Lancet Infectious Diseases. 2016. Vol. 16. P. 161–168.
Обсуждение
Загружаем обсуждение…