W obliczu wzrostu oporności na leki, naukowcy odkrywają obiecującą nową metodę kontrolowania rozprzestrzeniania się tego kryzysu zdrowia publicznego
Szacuje się, że śmiertelne infekcje oporne na antybiotyki będą szybko wzrastać w ciągu najbliższych 25 lat. W latach 1990–2021 ponad 1 milion osób umierało rocznie z powodu infekcji opornych na leki, jak wykazały niedawne badania. Nowe prognozy wskazują, że do 2050 roku liczba ta może wzrosnąć do niemal 2 milionów zgonów rocznie.
W celu przeciwdziałania temu kryzysowi zdrowia publicznego naukowcy szukają nowych rozwiązań, badając złożone mechanizmy infekcji bakteryjnych. Zespół badaczy z University of California San Diego odkrył podatność w szczepach bakterii opornych na antybiotyki.
Współpracując z laboratoriami Arizona State University oraz Universitat Pompeu Fabra (Hiszpania), profesor Gürol Süel i jego koledzy z Wydziału Biologii Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego badali oporność bakteryjną u Bacillus subtilis. Inspiracją do badań było pytanie, dlaczego mutanty bakterii nie namnażają się i nie przejmują populacji, mimo że wykształciły przewagę wynikającą z oporności na antybiotyki. Logicznie rzecz biorąc, bakterie oporne na antybiotyki powinny zdominować inne, mniej odporne szczepy. Tak się jednak nie dzieje. Dlaczego?
Odpowiedź, opublikowana w czasopiśmie Science Advances, wskazuje, że oporność na antybiotyki wiąże się z pewnym kosztem. Chociaż oporność daje bakterii pewne korzyści umożliwiające przetrwanie, zespół odkrył, że wiąże się również z ograniczeniem fizjologicznym, które uniemożliwia dominację. Ten fakt, jak zauważają naukowcy, może zostać wykorzystany do zahamowania rozprzestrzeniania się oporności na antybiotyki.
„Odkryliśmy piętę achillesową bakterii opornych na antybiotyki” – powiedział Süel, członek Wydziału Biologii Molekularnej UC San Diego. „Możemy wykorzystać ten koszt, aby zahamować rozwój oporności na antybiotyki bez użycia leków lub szkodliwych chemikaliów”.
Spontaniczne mutacje DNA występują we wszystkich żywych komórkach, w tym również w bakteriach. Niektóre z tych mutacji prowadzą do oporności na antybiotyki. Süel i jego współpracownicy skupili się na mechanizmach fizjologicznych związanych z rybosomami – mikromaszynami w komórkach odpowiedzialnymi za syntezę białek i tłumaczenie kodu genetycznego.
Wszystkie komórki potrzebują naładowanych jonów, takich jak jony magnezu, do przetrwania. Rybosomy są zależne od jonów magnezu, ponieważ ten metal stabilizuje ich strukturę i funkcję. Jednak modelowanie atomowe przeprowadzone podczas badań wykazało, że mutanty rybosomów, które nadają oporność na antybiotyki, nadmiernie konkurują o jony magnezu z cząsteczkami ATP (adenozynotrójfosforanu), które dostarczają energię komórkom. Modele matematyczne wykazały, że prowadzi to do walki między rybosomami a ATP o ograniczone zasoby magnezu w komórce.
Badania nad wariantem rybosomu Bacillus subtilis, zwanym „L22”, pokazały, że konkurencja o magnez hamuje wzrost L22 bardziej niż normalnego rybosomu typu „dzikiego”, który nie jest oporny na antybiotyki. W związku z tym konkurencja ta wiąże się z fizjologicznym kosztem dla mutantów opornych na leki.
„Choć zazwyczaj myślimy o oporności na antybiotyki jako o dużej korzyści dla przetrwania bakterii, odkryliśmy, że zdolność radzenia sobie z ograniczeniem magnezu w środowisku jest ważniejsza dla ich namnażania” – powiedział Süel.
Nowo odkryta słabość może teraz zostać wykorzystana jako cel w walce z opornością na antybiotyki bez użycia leków czy toksycznych chemikaliów. Przykładowo, możliwe jest chelatowanie jonów magnezu z otoczenia bakteryjnego, co powinno selektywnie hamować szczepy oporne, bez wpływu na bakterie typu dzikiego, które mogą być korzystne dla zdrowia. „Pokazujemy, że poprzez lepsze zrozumienie molekularnych i fizjologicznych właściwości bakterii opornych na antybiotyki, możemy znaleźć nowe sposoby ich kontrolowania bez użycia leków” – stwierdził Süel.
W październiku Süel i jego współpracownicy z University of Chicago ogłosili odrębne podejście do zwalczania kryzysu zdrowotnego wywołanego przez bakterie oporne na leki. Ich wynalazek – bioelektroniczne urządzenie wykorzystujące naturalną aktywność elektryczną bakterii obecnych na naszej skórze – otwiera nowe możliwości zarządzania infekcjami bez leków. Rozwiązanie to skutecznie redukowało szkodliwe działanie Staphylococcus epidermidis, bakterii znanej z wywoływania infekcji szpitalnych i przyczyniającej się do oporności na antybiotyki. W obu badaniach naukowcy wykorzystywali naładowane jony do kontroli bakterii.
„Kończą nam się skuteczne antybiotyki, a ich masowe stosowanie przez dziesięciolecia spowodowało rozprzestrzenienie antybiotyków na całym świecie, od Arktyki po oceany i nasze wody gruntowe” – powiedział Süel. „Potrzebne są alternatywy bezlekowe do leczenia infekcji bakteryjnych, a nasze dwa ostatnie badania pokazują, że faktycznie możemy osiągnąć kontrolę nad bakteriami opornymi na antybiotyki bez użycia leków”.
Autorami nowego badania są: Eun Chae Moon, Tushar Modi, Dong-yeon Lee, Danis Yangaliev, Jordi Garcia-Ojalvo, S. Banu Ozkan i Gürol Süel.
Źródło: Science Advances, Physiological cost of antibiotic resistance: Insights from a ribosome variant in bacteria, University of California – San Diego fot. Ashley Moon, Süel Lab, UC San Diego
