Почти два года новостные ленты держат нас в курсе ежедневной борьбы против коронавируса SARS-CoV-2. Поэтому легко забыть, что существует также множество видов бактерий, угрожающих здоровью человека, а наше выживание зависит от постоянного поиска новых антибиотиков, способных их уничтожить.
Последние исследования позволяют понять сложную реакцию бактерий на антибиотики и открывают возможность разработки нового и более эффективного класса лекарств для лечения основных бактериальных заболеваний.
Антибиотики делятся на две категории: бактерицидные препараты, убивающие бактерии, и бактериостатические. Последние нарушают нормальное функционирование бактерий, чтобы они больше не могли размножаться и стали уязвимыми для нашей иммунной системы. Оба типа антибиотиков доводят бактерии до состояния, близкого к смерти, перед их окончательным уничтожением. В условиях этого опасного для жизни стресса, согласно исследованиям Еврейского университета в Иерусалиме, проведённым под руководством Натали К. Балабан (Nathalie Q. Balaban) и Йоава Каплана (Yoav Kaplan), бактерии переходят в «нарушенное» состояние, в котором функционируют совсем не так, как нормальные бактерии.
Если стресс снимается, бактерии не исчезают и не погибают, а восстанавливаются и размножаются — при этом каждая отдельная клетка ведёт себя особым образом, не так, как генетически идентичные соседние клетки. Находясь в «нарушенном» состоянии, бактерии не реагируют на наши современные антибиотики, которые были разработаны для уничтожения бактерий в их нормальном состоянии.
Хоть бактерии и одноклеточные организмы, они необычайно сложны. Как и отдельные клетки любого организма, они способны к саморегуляции при воздействии различных стрессов. Например, при повышенной температуре бактерии начинают вырабатывать белки, защищающие клетку от перегрева. Ограничьте поступление питательных веществ — и клетки адаптируются таким образом, чтобы выжить и дождаться, когда питательные вещества станут доступны. Многие из этих реакций были проанализированы, и механизмы, используемые клеткой, хорошо изучены. Однако, когда стресс внезапный и сильный, эти реакции не срабатывают, и механизмы, контролирующие поведение бактериальных клеток в подобных ситуациях, пока остаются для нас загадкой.
Команда Балабан ранее показала, что субпопуляция бактерий переходит в «замороженное» или спящее состояние, когда подвергается голоданию, и в конечном итоге, в богатой питательными веществами среде, полностью восстанавливается и вырастает. Несмотря на обширные исследования, не существует чёткого понимания механизмов, контролирующих такую устойчивость.
Чтобы разработать модель, способную предсказать поведение бактерий, испытывающих условия, близкие к смерти, команда Балабан исследовала поведение отдельных клеток штамма E.coli — бактерии, часто используемой в лабораторных экспериментах. Дикие варианты этой бактерии могут вызывать серьёзные желудочно-кишечные инфекции с опасными для жизни осложнениями.
Процветающие клетки получили дозу химического вещества, которое немедленно вызывает голод (гидроксамат серина, SHX). Этот острый стресс, подобно большой дозе антибиотиков, не позволяет клеткам запустить стандартную адаптивную реакцию.
В нескольких экспериментах SHX применялся в течение разного времени. После отмены SHX наблюдалось восстановление отдельных клеток. Клетки не восстанавливались с одинаковой скоростью, как этого можно было бы ожидать. Вместо этого некоторые клетки восстанавливались быстро — в течение часа, а другим требовалось гораздо больше времени, иногда до суток. Продолжительность восстановления также зависела от того, как долго применялась начальная доза SHX, хотя существовала максимальная доза, после которой любое увеличение времени применения SHX не влияло на время восстановления клеток бактерий.
Темпы восстановления чётко показали, что процесс не был случайным. Фактически, они были похожи на показатели, наблюдаемые в некоторых физических процессах, таких как восстановление после снятия внешнего напряжения в некоторых пластмассах. Используя эту аналогию, группа учёных смогла смоделировать нарушенное состояние и предсказать поведение популяций клеток в нём. С помощью этой модели можно узнать, как бактериальная популяция будет реагировать на лечение антибиотиками в будущем.
По словам Балабан, лучшее понимание нарушенного состояния бактерий открывает новые пути для разработки лучших методов лечения, которые позволят убивать бактерии не только в их нормальном состоянии, но и когда они переходят в неуловимое нарушенное состояние.
Подготовка материала: Мария Толмачёва