Биоэнергетический стресс провоцирует развитие устойчивости бактерий к антибиотикам

Источником резистентности к противомикробным препаратам (AMR) могут быть de novo мутации или генетические элементы, попавшие в клетку путем горизонтального переноса. Они не дают препаратам взаимодействовать со своей мишенью или накапливаться в клетке в достаточном количестве. AMR — наследуемая защита, однако есть и ненаследуемая устойчивость; в этом случае группа изогенных персистентных клеток долгое время существует под действием бактерицидного стресса. Такие клетки могут способствовать возникновению AMR.

Механизмы возникновения резистентности и персистентности плохо изучены. Считается, что для того, чтобы пережить действие антибиотика, бактерии должны подавить клеточные процессы и впасть в состояние покоя. Но исследователи из США и Германии предположили, что под действием антибиотиков бактерии испытывают плейотропный стресс, ускоряющий возникновение мутаций и приводящий к развитию AMR. Такой стресс изменяет физиологию бактерий и может усиливать метаболические процессы, включая потребление АТФ, клеточное дыхание и выработку активных форм кислорода (АФК). Когда потребление АТФ превышает производство АТФ, клетки испытывают «биоэнергетический стресс». Авторы оценили, как биоэнергетический стресс влияет на резистентность и персистентность бактериальной клетки. По определению авторов, клетка испытывает энергетический стресс, когда у нее снижаются соотношение АТФ к АДФ и аденилатный энергетический заряд (AEC).

Авторы проанализировали метаболом клеток E. coli MG1655, обработанных антибиотиком ципрофлоксацином. Уже через час в бактериях снизились АТФ/АДФ, AEC и NADH/NAD+. Затем исследователи получили E. coli с повышенным потреблением АТФ и с повышенным потреблением NADH. Эти клетки постоянно находятся в состоянии биоэнергетического стресса. Авторы проверили, как такие бактерии отреагируют на ципрофлоксацин. У них быстрее развивалась резистентность, чем у клеток дикого типа. Также под влиянием стресса значимо выросла доля клеток, переживших полуторную минимальную ингибирующую концентрацию антибиотика, что говорит о появлении персистирующих клеток.

Чтобы понять механизм этого явления, авторы секвенировали РНК бактерий, находящихся в постоянном состоянии биоэнергетического стресса. Не было выявлено существенных изменений в экспрессии генов репарации ДНК и реакции на окислительный стресс, что удивительно, поскольку эти пути участвуют в развитии резистентности к противомикробным препаратам и персистентности. Однако в таких клетках было значительно больше H2O2, при этом экспрессия генов реакции на окислительный стресс не повышалась. Эти и другие эксперименты подтвердили, что биоэнергетический стресс заставлял клетки испытывать окислительный стресс, но при этом не активировал классический ответ него.

Далее исследователи показали, что для развития резистентности под влиянием биоэнергетического стресса необходимо повышение активности клеточного дыхания и количества АФК. А появление персистирующих клеток было связано со строгим ответом. Дальнейшие опыты продемонстрировали, что развитие резистентности может быть связано с появлением клеток с повышенной скоростью мутагенеза и высоким уровнем экспрессии полимераз с низкой точностью, а также с остановкой РНК-полимераз из-за возникновения разрывов ДНК и активацией склонной к ошибкам эксцизионной репарации комплексом UvrABC.

Авторы подчеркивают, что, согласно их исследованию, для персистентности под действием антибиотиков клеткам не обязательно впадать в состояние покоя. Популяции с высокой метаболической активностью, производящие АФК, тоже могут содержать большое число персистирующих клеток. Биоэнергетический баланс между потреблением АТФ и его выработкой является ключевым метаболическим фактором, определяющим появление персистирующих клеток, даже в гиперметаболических клетках. Согласно модели авторов, если потребление АТФ значительно увеличивается до того, как выработка АТФ может увеличиться для удовлетворения спроса, и (или) если выработка АТФ быстро снижается (например, при дефиците питательных веществ), биоэнергетический стресс увеличивается, а летальность от антибиотиков снижается за счет строгого ответа. И наоборот, если потребление АТФ быстро снижается и (или) если производство АТФ быстро увеличивается, биоэнергетический стресс снижается и летальность от антибиотиков увеличивается.

Устойчивость к антибиотикам в странах Европы выходит на плато