Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни - Карл Циммер

Но если E. coli способна так быстро развить резистентность к антимикробным пептидам, то почему же они так эффективно защищали грязных лягушек Заслоффа? E. coli, как и другие бактерии, неразрывно связана в эволюционной гонке с животными, в которых она обычно обитает. Когда такое животное вырабатывает у себя новый антимикробный пептид, естественный отбор начинает благоприятствовать тем бактериям, которые смогут против него выстоять. Одна из распространенных стратегий бактерии — научиться производить фермент, способный разрезать новый пептид на кусочки прежде, чем тот успеет нанести вред.

После этого естественный отбор вновь начинает действовать на животное. Спасением от инфекций могут оказаться мутации, которые позволят животному блокировать новый фермент микроба. Эти мутации животное передаст своим потомкам. Животные защищаются от разрезающих пептиды ферментов тем, что делают пептиды более прочными. Их молекулы складываются в несколько раз и скрепляются дополнительными связями. Но бактерии изобрели контрстратегии и на этот случай. Некоторые виды выделяют белки, которые связывают антимикробные пептиды и не дают им внедриться в мембрану бактерии.

Для животного один из самых надежных способов преодолеть все эти стратегии состоит в том, чтобы производить множество различных видов антимикробных пептидов. Новые пептиды могут появиться в результате дупликации генов или в результате заимствования уже готовых пептидов, прежде выполнявших иные функции. Чем больше антимикробных пептидов производит животное, тем труднее бактериям вовремя их распознать. В результате гены антибактериальных пептидов претерпевают больше эволюционных изменений, чем любая другая группа генов в клетках млекопитающих.

В сравнении со сложными и постоянно меняющимися атаками на антимикробные пептиды эксперимент Белла и Заслоффа выглядит детской игрой. Ученые подвергли E. coli действию всего лишь одного антимикробного пептида и обеспечили серьезные преимущества мутантам, которые смогли при этом выжить. К несчастью, современная медицина работает скорее по схеме Белла и Заслоффа, чем по методикам естественной эволюции. Врачу для борьбы с инфекцией предлагается достаточно скромный выбор антибиотиков, да и пациенту, как правило, прописывают лишь один препарат. Всего за несколько лет такая практика приводит к возникновению резистентных бактерий. Возможно, нам удавалось бы более успешно бороться с бактериями, если бы новые лекарства быстрее проходили все этапы разработки и если бы врачи могли без опасений прописывать пациенту по нескольку препаратов сразу.

Способность E. coli к быстрому развитию резистентности должна преподать нам немало уроков. Возможно, самый поразительный урок заключается в том, что человеческое тело, как и тела наших предков, фактически работает как фармацевтическая лаборатория.

Когда в 1942 г. Сальвадор Лурия открыл закономерности, согласно которым у E. coli развивается сопротивляемость к вирусам, он получил первые убедительные доказательства случайности и ненаправленности мутаций. С тех пор было проведено огромное число экспериментов как на E. coli, так и на многих других видах. Подтвердилось, что частота мутаций достаточно стабильна. Но результаты некоторых экспериментов на E. coli возбудили у ученых неожиданные сомнения. Что если мутации не так слепы, как принято считать?

Химик Флойд Ромесберг из Научно — исследовательского института Скриппса провел эксперимент и посмотрел, как E. coli приобретает резистентность к антибиотикам. В качестве действующего вещества он выбрал ципрофлоксацин (торговое название — ципро). Впервые этот антибиотик появился еще в 1980–е гг. как перспективная замена старым лекарственным средствам, которые начали терять эффективность. Однако уже через несколько лет после начала применения этого антибиотика появились первые сообщения о резистентных к нему микроорганизмах. При этом в разных частях света устойчивые к ципрофлоксацину бактерии встречаются с разной частотой. В Германии, к примеру, в 2002 г. резистентными к ципро были примерно 15 % E. coli. В Китае в том же году в одном из исследований получились значительно более высокие показатели — 59 %.

Чтобы понять, как появляются у E. coli гены устойчивости к ципрофлоксацину, Ромесберг с коллегами вводили шестинедельным мышам болезнетворный штамм E. coli. После этого они вводили им ципрофлоксацин, и инфекция пропадала — по крайней мере на первый взгляд. Но через три дня она возобновлялась. Когда ученые проверили новые бактерии, выяснилось, что за это время E. coli стала в 50 раз более устойчивой к ципро, чем была в начале эксперимента.

Ципро убивает E. coli, обманом вынуждая ее совершить самоубийство. Известно, что он вмешивается в процесс производства фермента топоизомеразы, который умеет разрезать и вновь сшивать молекулы ДНК. Такое умение становится необходимым бактерии всякий раз, когда ее ДНК запутывается. Ципро не позволяет топоизомеразе завершить работу и сшить разрезанную ею ДНК. Свободные концы разрезанной молекулы привлекают другие ферменты, специализирующиеся на разрушении изолированных кусочков ДНК. Эти ферменты разрушают большую часть хромосомы E. coli и убивают бактерию.

Ромесбергу пришло в голову, что действие ципро может этим не ограничиваться; возможно, он, помимо всего прочего, заставляет E. coli мутировать быстрее. Известно, что E. coli исправляет поврежденную ДНК при помощи ферментов ДНК — полимераз. Бактерия синтезирует два вида ДНК — полимераз: один из них производит исправление (репарацию) молекулы с высокой точностью, а другой — с низкой. Как правило, необходимым исправлением молекул ДНК занимается высокоточная ДНК — полимераза; при этом гены, отвечающие за производство ДНК — полимеразы низкой точности, блокированы белком, получившим название LexA. Но когда E. coli попадает в критическую ситуацию, все меняется. Если выясняется, что бактерия перегружена большим количеством поврежденной ДНК, LexA освобождает гены ДНК- полимеразы низкой точности, и та тоже принимает участие в репарации ДНК E. coli. Однако работу она делает менее аккуратно и точно, оставляя после себя большее количество мутаций.

Ромесберг подумал: что если эти дополнительные мутации помогают E. coli быстрее развивать устойчивость к ципрофлоксацину? Конечно, в большинстве своем мутации могут оказаться вредными для бактерии, но некоторые могут привести к созданию такой топоизомеразы, которая способна делать свою работу и сшивать ДНК даже в присутствии антибиотика. Возможно также, что эти дополнительные мутации возникают только во время подобных кризисов. Как только E. coli вновь обретет способность резать и сшивать ДНК, количество ее бесхозных кусочков резко уменьшится. LexA вновь блокирует гены, кодирующие ДНК — полимеразу низкой точности, и подавляет их активность, а значит, E. coli возвращается к более аккуратной и точной репарации ДНК.

Ромесберг с коллегами проверил свою гипотезу при помощи весьма остроумного эксперимента. Исследователи создали штамм E. coli, в котором белок LexA постоянно блокировал гены, отвечающие за производство ДНК — полимеразы низкой точности. Столкнувшись с ципрофлоксацином, такие бактерии продолжали как ни в чем не бывало исправлять свою ДНК с высочайшей точностью. Ромесберг и его коллеги ввели полученный штамм мышам, а затем дали им антибиотик. В 2005 г. ученые опубликовали результаты своего эксперимента: E. coli, не способная мутировать чаще, вообще не сумела развить у себя устойчивость к ципрофлок- сацину.