Устойчивость к антибиотикам может распространяться легче, чем ожидалось

Патогенные бактерии у людей развивают устойчивость к антибиотикам гораздо быстрее, чем ожидалось. Вычислительные исследования в Технологическом университете Чалмерса (Швеция) показывают, что одной из причин может быть значительный генетический перенос между бактериями в экосистемах и человеком. Эта работа также привела к созданию новых инструментов для исследователей устойчивости.

По данным ВОЗ, устойчивость к антибиотикам является одной из величайших угроз для глобального здоровья, безопасности пищевых продуктов и развития. Она вызывает более 33 000 смертей в год только в Европе.

Совершенно разные виды бактерий могут передавать гены устойчивости друг другу через плазмиды — небольшие молекулы ДНК, где бактерии хранят некоторые свои гены вне хромосомы. Когда две бактериальные клетки вступают в контакт, они могут копировать плазмиды друг другу. Этот процесс называется конъюгацией и является важнейшим механизмом распространения антибиотикорезистентности.

Специфические регионы ДНК раскрывают потенциал распространения

Исследователь Ян Зримец разработал новые методы анализа данных, которые показывают, что генетический перенос может быть гораздо более неограниченным и распространенным, чем считалось ранее.

Среди прочего, он создал алгоритм, способный идентифицировать специфические регионы ДНК, необходимые для конъюгации — так называемые oriT-регионы — в больших массивах данных, состоящих из генетических последовательностей тысяч плазмид. Алгоритм также может сортировать плазмиды по группам мобильности (MOB-группам) на основе идентифицированных oriT-регионов.

Применение алгоритма для анализа известных последовательностей более чем 4600 природных плазмид из разных типов бактерий, что ранее не удавалось сделать систематически, показало:

• Количество oriT-регионов может быть почти в восемь раз выше, чем обнаруживается стандартным методом.
• Количество мобильных плазмид может быть вдвое выше, чем считалось.
• Количество видов бактерий, имеющих мобильные плазмиды, может быть почти вдвое выше, чем было известно.
• Более половины этих плазмид имеют oriT-регионы, которые соответствуют ферменту конъюгации (релаксазе) от другой плазмиды, ранее классифицированной в другой MOB-группе. Это означает, что они могут быть перенесены одной из таких плазмид, оказавшейся в той же бактериальной клетке.

Последний пункт означает, что могут существовать механизмы переноса между большим количеством видов бактерий и сред, где ранее предполагались барьеры.

«Эти результаты могут означать, что существует устойчивая сеть для передачи плазмид между бактериями у людей, животных, растений, в почве, водной среде и промышленности. Гены устойчивости естественным образом встречаются у многих разных бактерий в этих экосистемах, и гипотетическая сеть может означать, что гены из всех этих сред могут передаваться бактериям, вызывающим болезни у человека. Это может быть возможной причиной быстрого развития устойчивости у человеческих патогенов», — объясняет Зримец.

Значение для борьбы с устойчивостью

Результаты нуждаются в экспериментальной проверке, но разработанные методы анализа данных уже могут использоваться исследователями в медицинских и биологических областях. Они предоставляют мощный новый инструмент для систематического картирования потенциальной переносимости различных плазмид.

«До сих пор это было серьезным ограничением в данной области исследований. Я надеюсь, что методы смогут принести пользу большей части исследований устойчивости к антибиотикам», — говорит Зримец.

Подробнее о генетическом переносе через конъюгацию

Для начала конъюгации необходим фермент релаказа. Релаказа связывается со специфическим участком на плазмиде и должна распознать и связаться с регионом, где кольцо ДНК может быть надрезано, и цепь может быть перенесена в следующую бактерию. Этот регион ДНК называется oriT.

Ранее считалось, что отдельная плазмида должна содержать как ген релаказы, так и соответствующий oriT, чтобы быть перенесенной. Но бактериальная клетка может содержать несколько плазмид, и исследования показали, что релаказа от одной плазмиды может подходить к oriT-региону другой плазмиды в той же клетке и активировать ее конъюгацию.

Это означает, что для конъюгации плазмиде может быть достаточно иметь только oriT, что, в свою очередь, означает, что многие плазмиды, ранее классифицированные как немобильные из-за отсутствия гена релаказы, могут быть конъюгативными. Новый метод анализа данных Зримеца, основанный на идентификации oriT-регионов по их особым физико-химическим свойствам, помогает заполнить этот пробел в знаниях.