Superbakterie, czyli bakterie odporne na wiele antybiotyków, stanowią ogromne wyzwanie dla współczesnej medycyny. Badacze z B CUBE – Centrum Inżynierii Molekularnej przy Uniwersytecie Technicznym w Dreźnie oraz Instytutu Pasteura w Paryżu zidentyfikowali słaby punkt w mechanizmie adaptacji bakterii do oporności na antybiotyki. Wyniki ich badań, opublikowane w czasopiśmie Science Advances, mogą przyczynić się do zwiększenia skuteczności obecnie stosowanych antybiotyków.
Od odkrycia penicyliny w 1928 roku antybiotyki zrewolucjonizowały medycynę, umożliwiając skuteczne leczenie zakażeń bakteryjnych. Jednak wynalezienie antybiotyków zapoczątkowało także niekończącą się walkę z bakteriami. Organizmy te szybko adaptują się do nowych leków, czyniąc wiele terapii nieskutecznymi. Oporne na antybiotyki bakterie, nazywane często „superbakteriami”, stanowią poważne zagrożenie, zwłaszcza dla pacjentów z chorobami przewlekłymi i osłabionym układem odpornościowym.
„Zamiast opracowywać nowe antybiotyki, chcieliśmy dokładnie zrozumieć, w jaki sposób bakterie rozwijają swoją oporność” – mówi prof. Michael Schlierf, kierownik grupy badawczej z B CUBE, TU Drezno, który przewodził badaniom. W trakcie pracy zespoły odkryły, dlaczego niektóre bakterie rozwijają oporność na antybiotyki szybciej niż inne. Ich odkrycia otwierają nowe możliwości w opracowywaniu strategii przeciwdziałania.
Genetyczna skrzynka narzędziowa w akcji
„Nasze badania koncentrują się na systemie integronowym, genetycznej skrzynce narzędziowej, której bakterie używają do adaptacji do środowiska poprzez wymianę genów, w tym genów oporności na antybiotyki” – wyjaśnia prof. Didier Mazel, kierownik grupy badawczej w Instytucie Pasteura w Paryżu, którego zespół współpracował z grupą Schlierfa.
System integronowy działa jak skrzynka narzędziowa, pozwalając bakteriom magazynować i przekazywać geny oporności zarówno swoim potomkom, jak i sąsiednim komórkom. Mechanizm ten opiera się na molekularnym „wycinaniu i wklejaniu” fragmentów DNA za pomocą specjalnych białek, zwanych rekombinazami. Chociaż system integronowy był już wcześniej intensywnie badany, różnice w tempie zdobywania oporności przez różne bakterie były do tej pory zagadką.
Okazało się, że kluczową rolę odgrywa różnorodność sekwencji DNA. „Sekwencje w systemie integronowym są otoczone specjalnymi spinkami DNA, które wyglądają jak małe literki U wystające z DNA. Rekombinazy wiążą się z tymi spinkami, tworząc kompleksy zdolne do wycięcia jednego fragmentu DNA i wklejenia nowego” – tłumaczy prof. Mazel.
Zespół Schlierfa wykorzystał zaawansowaną mikroskopię do zbadania, jak silnie białko rekombinazy wiąże się z różnymi sekwencjami spinek DNA. Odkryto, że kompleksy o najsilniejszym wiązaniu białka z DNA są również najbardziej efektywne w zdobywaniu genów oporności.
Dzięki zaawansowanej technice mikroskopii, zwanej szczypcami optycznymi, zespół Schlierfa zmierzył siły potrzebne do rozdzielenia kompleksów białkowo-DNA. „Szczypce optyczne pozwalają nam, używając światła, niejako złapać pojedynczą nić DNA z obu stron i rozciągnąć ją. Można to porównać do rozplątywania węzła na sznurku” – wyjaśnia dr Ekaterina Vorobevskaia, naukowiec z laboratorium Schlierfa, która realizowała projekt.
Zespół zaobserwował wyraźną korelację między siłą potrzebną do rozdzielenia kompleksu białkowo-DNA a wydajnością mechanizmu „wycinania i wklejania”. „Jeśli kompleks silnie wiąże się z DNA, może sprawnie wykonywać swoją pracę – wycinać DNA i szybko wklejać nowy gen oporności. Natomiast kompleksy słabe, które łatwo się rozpadają, muszą być ciągle ponownie składane, co spowalnia proces adaptacji” – dodaje dr Vorobevskaia.
„System integronowy był badany przez mikrobiologów przez dekady. My wnosimy do tych badań dane biofizyczne, wyjaśniając zachowanie tego systemu za pomocą fizyki” – mówi prof. Schlierf, dodając: „Być może ta wrażliwość na siły jest bardziej ogólnym zjawiskiem wpływającym na różnorodne procesy biologiczne”.
Naukowcy sądzą, że ta słabość systemu może zostać wykorzystana do opracowania terapii wspomagających, które będą destabilizować kompleksy DNA-białko. Mogłyby one towarzyszyć istniejącym antybiotykom, dając im przewagę czasową nad bakteriami.
Źródło: Science Advances, Technische Universität Dresden
