Отслеживание эволюции лекарственно-устойчивого патогена
Штаммы Klebsiella pneumoniae, несущие определенный фермент, известны своей «способностью выживать при воздействии любых антибиотиков», — говорит Кори Хадсон из Национальных лабораторий Сандия.
Используя возможности лабораторий по секвенированию генома, Хадсон и его коллеги выявили несколько механизмов, с помощью которых бактерии обмениваются генами и расширяют свою устойчивость к антибиотикам. В некоторых случаях бактерии могут получить новый набор генов сразу и в процессе стать патогенными.
Исследователи сосредоточились на крупных мобильных ДНК:
- Плазмиды — свободные кольцевые ДНК, существующие отдельно от хромосомы.
- Геномные островки — могут встраиваться в хромосому.
Эти элементы переносят целые кластеры генов, отвечающих за метаболизм и патогенность, между видами. Понимание их перемещения может привести к новым подходам для обхода бактериальной защиты и, в перспективе, к прогнозированию новых патогенов до того, как они станут угрозой.
Бактерии обмениваются генетическим материалом
Обмен происходит через вирусные частицы или конъюгацию — процесс, при котором одна бактерия через специальную трубку впрыскивает гены в другую. Это приводит к быстрому появлению новых опасных комбинаций, например, когда патогенный, но не устойчивый штамм E. coli получает гены устойчивости от Klebsiella pneumoniae.
В 2014 году ученые Сандии впервые полностью секвенировали геном штамма Klebsiella pneumoniae, кодирующего фермент New Delhi metallo-beta-lactamase (NDM-1). Этот фермент делает штамм устойчивым к карбапенемам — антибиотикам последнего резерва. Klebsiella pneumoniae — самый распространенный вид карбапенем-резистентных энтеробактерий (CRE) в США, часто устойчивый почти ко всем применяемым антибиотикам. CRE опасны еще и тем, что могут передавать устойчивость другим бактериям.
«Бактерия всегда вооружена»
Исследование показало, что гены бета-лактамаз у Klebsiella pneumoniae активны постоянно, независимо от того, заражают ли бактерии культуры человеческих клеток. По сути, «бактерия всегда вооружена» против антибиотиков.
Команда создала базу данных почти из 4000 геномных островков, обнаруженных при анализе всех секвенированных бактерий. Помимо биоинформатики, был разработан новый экспериментальный метод для обнаружения островков в момент их «выскакивания» из генома. Для этого клетки подвергают определенному стрессу, что стимулирует мобилизацию.
Эксперименты и биоинформатика работают вместе, взаимно дополняя и подтверждая друг друга.