Бактериальный «королевский бой» в полости рта объясняет, как патоген выживает в больницах

В полости рта человека обитают сотни видов бактерий. Некоторые из них многочисленны, другие — редки. Часть этих бактерий — известные патогены, другие — безвредны или даже полезны.

Учёным известен генетический состав около 70% оральных бактерий, но они не знали, какие виды проживут дольше всех без питательных веществ в условиях «королевской битвы». Результаты эксперимента объясняют, как некоторые опасные бактерии способны сохраняться в стерильной больничной среде и инфицировать пациентов.

В статье, которая будет опубликована на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи из Института Форсайта, Института Крейга Вентера, Вашингтонского университета и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе описывают своё открытие. Три близкородственных вида бактерий семейства Enterobacteriaceae пережили все другие оральные бактерии в долгосрочном эксперименте на выживание в условиях голода.

«Известно, что ряд видов этого семейства вызывают инфекции в больницах», — сказал доктор Сюэсун Хэ, сотрудник Института Форсайта и соавтор исследования.

Чтобы устроить битву бактерий, исследователи поместили сотни образцов оральных бактерий из человеческой слюны в пробирки. Бактерии, привыкшие жить в богатой питательными веществами среде рта, были лишены питания. Каждый день учёные проверяли, какие бактерии ещё живы.

Почти все виды бактерий погибли в первые несколько дней. Но три вида — Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca и Providencia alcalifaciens — выжили дольше всех. Klebsiella pneumoniae и Klebsiella oxytoca прожили более 100 дней.

Исследователи были удивлены, обнаружив, что клебсиеллы оказались чемпионами в этой битве. В своей естественной среде — полости рта — клебсиеллы считаются «аутсайдерами» и составляют лишь около 0,1% всех микробов. Однако в экстремальных условиях без питательных веществ клебсиеллы воцарились, в то время как обычно многочисленные бактерии быстро погибли.

Как клебсиеллам это удалось? Чтобы ответить на этот вопрос, учёные проанализировали геном бактерий в первый день «битвы» и на сотый день.

«Когда мы смотрим на содержание генома, оказывается, что у этих видов Enterobacteriaceae геномы больше, чем у других оральных бактерий, что даёт им возможность использовать более разнообразные источники энергии», — сказал доктор Хэ. Исследователи обнаружили, что у клебсиелл произошли генетические мутации, которые могли позволить им выживать и функционировать даже без источника пищи.

Учёные описывают виды Klebsiella как оппортунистические патогены. У здоровых людей они мирно живут в полости рта, окружённые другими микробами и неспособные активно размножаться или причинять вред. Но вне рта, где выживают немногие другие бактерии, клебсиелла — король. Они сохраняются на больничных поверхностях, таких как раковины или столы. Если пациент с ослабленным иммунитетом вступит в контакт с клебсиеллой, у него может развиться инфекция.

«Оральные жидкости, такие как слюна, являются богатым источником бактерий и вирусов. Мы хотим понять, как патогены, которые обычно редки, могут стать доминирующими, а затем также сохраняться в течение длительного времени вне организма, чтобы впоследствии передаваться», — объясняет соавтор доктор Джефф Маклин, профессор Вашингтонского университета.

Инфекции, вызванные клебсиеллой, могут привести к ряду опасных состояний, включая пневмонию и менингит. Одна из причин опасности этих инфекций заключается в том, что клебсиеллы особенно искусны в развитии устойчивости к антибиотикам, а также в передаче этой устойчивости соседним бактериям.

«Тот факт, что эти виды Klebsiella выживают дольше, чем их более безобидные соседи, в смесях слюны, вероятно, имеет большое клиническое значение, поскольку множественные вспышки вирулентных, устойчивых к антибиотикам клебсиелл были прослежены до больничных раковин и стоков», — сказал доктор Джонатан Л. Бейкер, ведущий автор исследования и научный сотрудник в отделе геномной медицины Института Крейга Вентера.

Это исследование также помогает прояснить ключевую экологическую динамику бактериальных сообществ.

«С точки зрения общей картины, это огромный шаг вперёд в понимании социальной структуры и экологии микробов, — сказал доктор Вэньюань Ши, генеральный директор и главный научный сотрудник Института Форсайта. — Это исследование начинает решать фундаментальный биологический вопрос: как, с эволюционной точки зрения, было построено микробное сообщество и что происходит, когда сообщество умирает?»