Мы доступно и подробно рассказываем об эволюционных механизмах устойчивости бактерий к антибиотикам и о том, что возьмет на вооружение наука в постантибиотиковую эру, как не стать диверсантом и предателем человечества в войне с микробами, а объединить силы ученых, врачей, законодателей и пациентов перед лицом глобальной угрозы.

Эту статью можно было бы написать как некролог: первый из антибиотиков, пенициллин, по словам Нобелевского комитета, «сделал для победы во Второй мировой войне больше, чем 25 дивизий». Вслед за ним появились десятки других: казалось, бактериям нанесен смертельный удар. И когда б вы знали, из какого сора являлись новые герои — из плесени, почвы, загрязненной сточными водами морской воды… Молекулы, которыми микроорганизмы убивают нежелательных соседей и конкурентов в природе, помогали победить инфекции, раньше считавшиеся смертельными.

Но эволюция не стоит на месте, и молекулы, на которые мы возлагали столько надежд, складывают свои «головы» («хвосты», активные центры и другие части) под топором расщепляющих ферментов на бактериальной плахе.

Мы могли бы скорбеть об утрате, вспоминая былые дни и воспевая славные подвиги наших доблестных союзников, но тогда и сами рискуем последовать за ними. Ведь в мире, где царит принцип Черной Королевы, промедление смерти подобно: виды эволюционируют не в одиночестве и вакууме, а в окружении других.

  Поэтому, как и говорила Черная Королева в сказке Льюиса Кэрролла, приходится бежать изо всех сил, только чтобы оставаться на месте — а для продвижения вперед нужно ускориться еще больше (и обогнать соседей).

Стратегии микробов в «гонке вооружений»

Бактерии размножаются делением надвое — казалось бы, противник слаб и недальновиден, если может противопоставить всем гениям человечества лишь армию клонов, не умеющих оперативно изменяться и «идти в ногу со временем», комбинируя гены родителей с помощью полового размножения, как это делаем мы. На самом деле примитивный аналог полового процесса у них имеется, и называется он конъюгацией (от лат. conjugatio — соединение), во время которой две бактерии соединяются специальным пилем, по которому часть ДНК из одной бактерии переходит в другую. Поэтому, если одна бактерия «изобретает» способ разрезать вредоносную молекулу на кусочки, связать или закупорить ее, выдворить из клетки или вообще ее не впускать — или научиться жить без той химической реакции или структуры, работу которой антибиотик парализует, она может передать это умение соседям. Конъюгация была открыта Ледербергом и Тайтемом в 1946 году.

Не будем забывать и про случайные мутации: в состоянии стресса и неблагоприятных условий бактерия (если не прячется в спору — слизистый «кокон», используемый в качестве убежища, а не способа размножения, в отличие от грибов) меньше заботится о поломках и неточностях при копировании своей ДНК, и частота мутаций повышается.

Другой способ разнообразить свой генетический материал — трансформация. В поисках чего-то полезного бактерия иногда начинает «хватать» куски ДНК из окружающей среды и, если они похожи на ее геном, не «переваривать», а встраивать их в него. Эта особенность помогает ученым вставлять в клетки нужные им конструкции, подвергнув клетку резким изменениям температуры намеренно, чтобы она в панике «съела» предложенные ей последовательности, но в случае с клетками эукариот (организмов с ядром в клетке, как мы с вами) он называется трансфекцией.

Третий выход для бактерии — трансдукция (от лат. transductio — перемещение). Этот путь горизонтального (не связанного с размножением) переноса генов осуществляется с помощью бактериофагов — вирусов, которые поражают бактерии. Если бактериофаг умеренный (то есть свою жертву сразу не убивает), он может встраивать свою ДНК в геном бактерии, чтобы она копировала ее как свою, размножая вирус, который находится в это время в «спячке» (такое состояние фага называют профагом). Умеренные бактериофаги могут не только встраиваться, но и переносить ДНК от одной бактерии к другой (на самом деле, вирулентные — «фаги-убийцы» — тоже умеют, просто после их вторжения колония бактерий погибает, и жертвы не могут извлечь из этого никакой пользы).

Бактериальный век краток — но тем больше в нем места эволюционным экспериментам и тем быстрее происходит естественный отбор.

Конечно, такие игры с теорией вероятности не всегда заканчиваются хорошо: мутации или полученные гены в существующих условиях могут быть вредны для бактерии или даже смертельны.

Но когда терять уже нечего, такие риски вполне оправданны и иногда бывают щедро вознаграждены.

Король умер. Да здравствует новый король!

До недавнего времени люди решали проблему возникновения резистентности (устойчивости) бактерий к антибиотикам, находя новые антибиотики. Однако со временем бактерии учились давать им отпор все быстрее, и ученые забили тревогу. Согласно официальному докладу Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), основанному на данных из 114 стран, с 1980 года не было открыто ни одного нового класса антибиотиков, тогда как эволюция бактерий продолжается.

Но хотя принципиально новых антибиотиков найти не удавалось, временные успехи были достигнуты в улучшении старых или нахождении веществ, относящихся к уже открытым классам. Слабые отсветы надежды озаряют поле битвы: некоторые интересные возможности сулит разработка коротких антибиотиков пептидной природы (похожих на белки, но по длине состоящих из малого количества аминокислот). К ним относятся и микроцины, один из которых (микроцин Б) автору статьи даже посчастливилось изучать на Школе молекулярной и теоретической биологии в 2013 году под руководством Анны Лопатиной (в реальной жизни — аспирантки известного ученого Константина Северинова). В лаборатории молекулярной генетики микроорганизмов школьники «собирали» по кусочкам прочитанный геном плазмиды (дополнительной маленькой кольцевой ДНК бактерий, которыми они часто обмениваются при конъюгации). Рядом с опероном (группой генов, кодирующих микроцин) были найдены транспозоны («прыгающие» кусочки ДНК), на основании чего лаборатория выдвинула гипотезу, что именно транспозоны его и перетащили вместе с собой.

Но успехи ученых в этой области недостаточны, пока пациенты, сами об том не догадываясь, саботируют их работу.

Переходи на светлую сторону: инструкция

О том, что антибиотики не помогают при вирусных инфекциях, знает любой биолог. Некоторые группы антибиотиков (например, тетрациклины) имеют слабое действие на особенно крупные вирусы, однако основной мишенью для них становятся именно бактерии и простейшие. Применяя антибиотики против вирусных инфекций без предписания врачей, люди не только не справляются с заболеваниями, но и «закаляют», возможно, затаившиеся в организме и ждущие удобного момента бактерии, помогая им эволюционировать.

Для некоторых людей само слово «антибиотик» звучит устрашающе: судя по переводу, им кажется, что за ним скрывается нечто таящее угрозу именно для их жизни и здоровья. Некоторые мамочки считают, что у их детей «аллергия на антибиотики», и относятся к ним с опаской (даже автора статьи в раннем детстве мама тоже в этом убеждала). Однако простой логики достаточно, чтобы понять: антибиотики — многообразная группа веществ с самыми различными методами воздействия, и если у ребенка аллергия на один из них (или на одну группу) — это вовсе не повод отказываться от их приема несмотря на рекомендации врачей.

Даже для микроорганизмов антибиотики не универсальны — так неужели ваш ребенок похож на бактерию больше, чем некоторые бактерии между собой?

Поэтому некоторые люди сокращают дозировки и сроки приема («я уже чувствую себя лучше — зачем травиться»), боятся комбинировать антибиотики, как это прописал врач, ищут более слабые вещества или иными способами «щадят» свой организм. В результате опасные патогенные микроорганизмы не погибают, а приспосабливаются — то, что бактерии не убивает, делает их сильнее, и, даже если сам пациент не заболеет снова, он бережно культивирует в себе устойчивые к антибиотикам штаммы, заражая других людей.

Антибиотики и правда могут быть опасны и вредны, но их дозировка и лекарственная форма специально подобраны так, чтобы минимизировать побочные эффекты, а от «самодеятельности» гораздо скорее нужно ожидать вреда, чем пользы.

Чтобы дать инфекциям отпор, Всемирная организация здравоохранения убеждает пациентов использовать только предписанные антибиотики, проходя курс лечения целиком (чтобы «добить» врага), не пить антибиотики, когда они не нужны, никогда не делиться антибиотиками с другими людьми и не использовать фальшивые рецепты.

Работникам здравоохранения ВОЗ посоветовала уделить внимание предотвращению заболеваний, санитарным условиям, а также внимательнее относиться к выписываемым рецептам и вакцинации. И наконец, чтобы вся система успешно функционировала, чиновники должны поощрять исследования и регулировать правильный прием медикаментов законодательно.

Пока люди не объединят свои усилия, ВОЗ (как в басне Крылова) не сдвинется с места.

Когда не рвется там, где тонко, то перед вами биопленка

Держаться вместе могут не только люди, но и бактерии. Например, образовывать биопленки — множество микроорганизмов, прикрепленных вместе к какой-либо поверхности и погруженных в слой выделенной ими слизи. Этот слой занимает до 90% биомассы биопленки, являясь физической преградой для нежелательных молекул и удобным местом для обмена полезными генами. В таком «сплоченном коллективе» бактерии гораздо лучше противостоят угрозе извне, в том числе антибиотикам (одна из причин устойчивости микобактерий, вызывающих туберкулез).

Они могут даже «затаиться» и ждать в таком состоянии годами, сопротивляясь лечению, а затем снова дать о себе знать, когда пациент и врачи считают, что болезнь миновала.

Ученые из США в обзоре, опубликованном в журнале Cold Spring Harbour Perspectives in Medicine, на основе анализа множества публикаций по данной теме установили, какие вещества наиболее эффективны в разрушении «сомкнутых рядов» и препятствуют формированию биопленок. Среди них были отмечены белок BdcA, понижающий концентрацию циклического дигуанилата (вещества, с помощью которого бактерии «общаются» и «договариваются», когда им собираться в биопленку). Также на эту роль подошли аминокислоты в D-форме и норспермидин — вещества, для бактерий в биопленке эквивалентные команде «Рассредоточиться!».

По словам ученых, чем старше биопленка, тем труднее победить инфекцию, а описанные ими подходы позволят разбить боевое построение патогенов и расправиться с ними поодиночке.

Антибактериальное оружие будущего

В свежем июльском обзоре терапевтических подходов, выполненном учеными из США Аланом Хозером, Джоан Мексас и Дональдом Мойром, перечислены направления развития терапии инфекционных заболеваний в будущем. Кроме уже упомянутых способов разрушения биопленок, ученые предлагают следующие методы и мишени:

1. Токсины и системы секреции. Весомая часть вреда от патогенных микроорганизмов вызвана выделяемыми ими ядовитыми веществами. Проблему можно предотвратить, если не дать бактерии доставить произведенный токсин из места сборки наружу, атаковав ее «транспортную систему». Это удалось сделать в случае с Pseudomonas aeruginosa — синегнойной палочкой (той самой почвенной бактерией, культуры которой в чашке Петри производят приятный аромат жасмина, земляничного мыла или карамели, чем они обязаны выделяемому ими триметиламину). Также ученые могут заняться поиском антител, нейтрализующих токсины уже в организме человека, по данным обзора, антитела уже были найдены для пяти токсинов золотистого стафилококка.

2. Дезориентация врага. Этот подход, похожий на метод борьбы с биопленками, предлагает «сбить бактерии с толку», чтобы они не могли общаться с помощью специальных молекул и выяснить, достаточно ли их для заражения.

3. Фаговая терапия. Данный метод напоминает борьбу с вредителями на полях с помощью естественных врагов. Как, например, божьи коровки, бактериофаги-убийцы также могут стать нашими друзьями. Плюс вирусов-бактериофагов в том, что они очень «разборчивы» и могут нападать только на конкретные штаммы бактерий (или несколько родственных штаммов), не проявляют никакого интереса к человеческим клеткам и (при соответствующем отборе) к нормальной микрофлоре организма. «Коктейль» из шести штаммов бактериофагов под названием Biophage-PA уже использовался для борьбы с той же синегнойной палочкой (которая, кстати, тоже может образовывать резистентные к антибиотикам биопленки) и даже был проверен на 24 пациентах.

Никаких вредных последствий для них выявлено не было, а количество бактерий уменьшилось.

Кроме того, ученые обращают внимание на «инструментарий» самих фагов, чтобы выделить вредные для бактерий вещества.

4. Стимуляция естественного иммунитета. В человеческом организме живут и работают множество разнообразных бактерий. Многие из них — наши добрые друзья-симбионты, помогающие нам с пищеварением и синтезирующие для нас вещества, которые мы сами производить не умеем, спасающие от ожирения и поддерживающие наш иммунитет. Эти бактерии безобидны и, кроме явных полезных свойств, действуют как газон на пустыре, не позволяя коварным патогенам расплодиться, например, в вашем кишечнике. Иногда прием лекарств (тех же антибиотиков с широким спектром действия) или другие причины могут вызвать гибель бактерий-союзников, и на «газоне» появляются проплешины, где могут «укорениться» болезнетворные штаммы. Фекальная трансплантация — один из способов восстановления естественной микробиоты кишечника — в таких случаях может предотвратить серьезные заболевания или помочь выдворить из организма уже появившихся «незаконных мигрантов».