Устойчивость к антибиотикам — это растущий глобальный кризис здравоохранения, который затрудняет лечение распространенных инфекций и ставит под угрозу многие медицинские процедуры. Теперь исследователи из Университета Карнеги-Меллона обнаружили уязвимое место в бактериях, которое может открыть путь к совершенно новому классу методов лечения.

Цель состоит не в том, чтобы убить бактерии — тактика, которая часто оставляет после себя устойчивые выжившие организмы, — а в том, чтобы воздействовать на ключевой механизм, контролирующий поведение бактерий. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Дрю Бриджес, доцент Колледжа естественных наук им. Меллона при Университете Карнеги-Меллона, заявил, что это исследование может стать важным инструментом в борьбе с растущей угрозой.

«Традиционные антибиотики действуют простым способом — они убивают бактерии, — сказал Бриджес. — Проблема та же, что и при химиотерапии: выжившие клетки создают проблемы. Когда вы применяете большое количество антибиотиков, выживает субпопуляция клеток, они восстанавливают популяцию, и все они становятся устойчивыми к антибиотикам».

Бактерии умнее, чем думают люди.

Поведение бактерий занимает центральное место в работе Бриджеса. Он сказал, что люди могут представлять бактерии как простые организмы, описанные на страницах школьных учебников биологии. Но бактерии гораздо сложнее — они действуют, общаются и разрабатывают стратегии выживания.

«Мы хотим выяснить, можем ли мы изменить механизмы, которые делают бактерии инфекционными», — сказал Бриджес. «Бактерии образуют биопленки, которые помогают им распространяться, прикрепляться к клеткам или проникать в ткани. Если мы сможем изменить это поведение, возможно, мы сможем лечить или предотвращать инфекции по-новому».

Бриджес и аспирантка Эмми Нгуен нашли способ изменить поведение бактерий Vibrio cholerae , вызывающих холеру. Они выявили механизм, регулирующий образование биопленок — липких сообществ, в которых бактерии могут выживать и размножаться.

«Благодаря биопленкам бактерии могут размножаться практически в любой среде, — сказал Бриджес. — Если мы поймем, как работает этот фундаментальный механизм, мы сможем воздействовать на него, чтобы ослабить бактерии и снизить их инфекционность».

Исследование пролило больше света на поведение бактерий, добавил Нгуен.

«Что делает это исследование таким захватывающим, так это то, что этот сигнальный путь контролирует не только биопленки , но и широкий спектр бактериальных реакций, включая метаболизм, движение и защиту от стресса», — сказал Нгуен. «Мы считаем, что когда V. cholerae находится в агрессивной среде, активация этого пути помогает ей отдавать приоритет защите, а не размножению».

Не только холера

Холера является проблемой во многих частях мира, где нет доступа к чистой питьевой воде, и V. cholerae — важный модельный организм для изучения инфекционных заболеваний. Но, по словам Нгуена, изучать инфекцию может быть сложно, потому что виды сильно различаются друг от друга — основные процессы, определяющие жизненный цикл биопленки, могут отличаться от тех, которые наблюдаются у других болезнетворных микробов.

Чтобы определить, обнаружен ли механизм, контролирующий жизненный цикл биопленки у V. cholerae, у других бактерий, Бриджес и Нгуен обратились к М.Р. Пратьюшу, аспиранту, работающему с доцентом кафедры биологических наук Н. Луизой Хиллер. Пратьюш провел биоинформатический анализ и сообщил команде хорошие новости — он обнаружен.

«Белок, который V. cholerae использует для контроля роста биопленки, также встречается у многих других видов бактерий», — пояснил он. «Интересно то, что этот белок биопленки принадлежит модулю, состоящему из множества белков, и весь модуль встречается у многих других бактерий. Это означает, что способ взаимодействия этих белков может быть схожим у многих разных видов».

Для Бриджеса и Нгуена эта информация открыла возможности для изучения того, как этот общий механизм может быть использован для контроля поведения бактерий или решений, касающихся образа жизни.

От фундаментальной науки к решениям будущего

Исследователи объединились с коллегами из Университета Питтсбурга, чтобы изучить, как взаимодействие белков в рамках этого сигнального пути может влиять на выбор бактериями образа жизни. Затем, работая с учеными из Медицинской школы Университета Тафтса, они проверили, играет ли этот сигнальный путь роль в инфекции.

В Университете Тафтса команда сравнила обычные бактерии (дикий тип) с вариантами, у которых был активирован этот метаболический путь (мутантные). Когда они заразили мышей этими штаммами, они обнаружили, что мутантные бактерии с трудом размножались и колонизировали организм хозяина.

«Наша цель — активировать этот сигнальный путь и ослабить бактерии. Для этого мы ищем небольшие молекулы, способные включить этот путь», — пояснил Нгуен.

В перспективе лаборатория Бриджеса планирует использовать эти открытия для разработки новых видов лечения.

«Мы всегда были лабораторией фундаментальных наук, сосредоточенной на понимании того, как работают бактерии», — сказал Бриджес. «Но все чаще мы думаем о том, как применить эти знания на практике. Антибиотикорезистентность — это кризис, и разработка новых видов терапевтических средств, действующих по-другому, — это то направление, в котором мы движемся», — добавил он.