: 28.01.2021

Гены устойчивости к антибиотикам передаются с помощью природной «генной инженерии»

Открыв антибиотики, люди, по сути, воспользовались результатами природной «гонки вооружений», которая почти так же стара, как сама жизнь. Вещества, убивающие бактерии или подавляющие их жизнедеятельность, могут продуцировать самые разные организмы: от самих бактерий и грибов до высших растений и животных, и за миллионы лет «противостояния» бактерии научились защищаться от этих соединений.

Устойчивость бактерий к антибактериальным препаратам генетически обусловлена и развивается в том случае, когда они сталкиваются с новым «химическим оружием». Благодаря случайным мутациям некоторые бактериальные клетки выживают, и за счет высокой скорости размножения быстро формируют клоны бактерий, устойчивых к тому или иному антибиотику.

Однако еще на заре жизни возник другой способ быстрой и радикальной модификации живых существ, которым сегодня широко пользуются бактерии и… современные генные инженеры. Речь идет об естественном трансгенезе – горизонтальном переносе генов между разными, в том числе неродственными, организмами. Такая «горизонтальная» эволюция, в отличие от обычной «вертикальной», способна практически мгновенно придать организмам принципиально новые качества. И именно благодаря этому механизму среди разных бактерий может быстро распространяться устойчивость к антимикробным препаратам.

У бактерий перенос генов обычно осуществляется в результате конъюгации – своеобразного аналога полового процесса. Бактериальные клетки при этом образуют пару, вступая в физический контакт, при котором происходит передача генетического материала. В роли последнего иногда выступает фрагмент хромосомной ДНК, но чаще всего – плазмиды, небольшие автономные кольцевые молекулы двуцепочечной ДНК. На этих генетических «флешках» могут быть закодированы способы защиты от антибиотиков и другие «инструкции» по выживанию в стрессовых условиях.

Передача генетического материала при конъюгации начинается с одноцепочечного разрыва молекулы ДНК в особом участке oriT, с которого начинается процесс ее копирования. В качестве «молекулярных ножниц» выступает фермент релаксаза. Ранее считалось, что в каждой плазмиде должна быть закодирована и релаксаза, специфичная для «своего» oriT. Однако бактериальная клетка может содержать несколько плазмид, и последние, как выяснилось, могут «по-соседски» помогать друг другу. Так что плазмиды, имеющие только oriT, могут также успешно участвовать в конъюгации.

Этот факт позволяет по-новому оценить масштаб встречаемости мобильных плазмид среди разных видов бактерий. Именно это и сделал биоинформатик Ян Зримек из Технологического университета Чалмерса (Швеция), разработавший алгоритм, который облегчает поиск последовательностей oriT в больших объемах бактериальной ДНК. Ученый систематизировал последовательности более 4.5 тыс. природных плазмид из 59 видов бактерий и показал, что как число самих мобильных элементов, так и количество видов их бактериальных «хозяев» почти в два раза выше, чем считалось ранее.

Эти результаты помогают понять, почему патогенные бактерии человека приобретают гены лекарственной устойчивости гораздо быстрее, чем ожидалось. Стало ясно, что генетический перенос может осуществляться между бактериями, обитающими в самых разных средах: в живых организмах, почве, воде и даже на технологических конструкциях промышленных предприятий, включая водоочистные сооружения. Во всех этих экосистемах гены антибиотикоустойчивости встречаются у многих видов бактерий, и все они могут в конечном счете передаться патогенам человека.

Фото: https://www.rawpixel.com

: 28.01.2021