Гены устойчивости к антибиотикам передаются между колониями тараканов

Важную роль в распространении устойчивости к антибиотикам играют непатогенные бактерии-симбионты. В микробиоме они выступают в качестве резервуаров для хранения генов резистентности к антибиотикам. Горизонтальный перенос генов между ними и патогенными бактериями потенциально может привести к появлению патогенов с множественной лекарственной устойчивостью. Изучение передачи резистентности на математических моделях имеет свои ограничения, а экспериментальных исследований in vivo по передаче генов антибиотикорезистентности между популяциями проведено недостаточно.

Исследовательская группа геномной эпидемиологии (Датский технический университет) изучила передачу генов устойчивости к антибиотикам in vivo на тараканах Pycnoscelus surinamensis. Эта экспериментальная модель подходит для изучения изменений микробиома, так как исключен эффект изменения хозяина — P. surinamensis размножаются партеногенетически, создавая клональные колонии. После линьки насекомые восстанавливают микробиом через горизонтальную передачу, они также активно взаимодействуют между собой.

Насекомых разделили на контрольную и опытную (экспериментальную) группы. Тараканов опытной группы ежедневно обрабатывали тетрациклином (200 мкг/насекомое) в течение семи дней. Затем за частью экспериментальных насекомых наблюдали еще семь суток без обработки. У другой части обработку продолжали до конца эксперимента. На второй стадии исследования насекомых опытной группы смешивали с контрольными особями в различном соотношении. Для метагеномного секвенирования насекомых отбирали на старте исследования (день 1), на восьмой (перед смешиванием), 10-й, 12-й и 15-й дни по девять особей каждой группы. Анализ грунта проводили в первый, восьмой и 15-й дни.

Уровень устойчивости к антибиотикам естественного кишечного микробиома P. surinamensis исследовали в необработанной популяции на первый и восьмой дни эксперимента. Насекомые имели самое высокое бактериальное разнообразие микробиома кишечника на уровне рода. Общее содержание генов устойчивости было низким, также было низкое содержание генов устойчивости к тетрациклину. Обработка антибиотиком привела к значимому увеличению количества генов устойчивости к тетрациклину у обработанных особей — они составляли более 60% от общего числа генов антибиотикорезистентности.

При смешивании насекомых двух групп у контрольных особей содержание генов устойчивости к тетрациклину увеличилось через два дня после объединения и оставалось стабильным до конца исследования. Более 80% генов устойчивости к антибиотикам составляли тетрациклиновые гены. Бактериальное разнообразие микробиома кишечника снизилось более чем в два раза сразу после смешивания групп. Микробиом контрольных насекомых стал схож по составу с микробиомом у обработанных особей. То есть поведение P. surinamensis облегчало передачу бактерий и генов резистентности к антибиотикам между особями.

При обработке антибиотиком изменился таксономический состав микробиома и соотношение генов устойчивости к тетрациклину у тараканов, но не обнаружено корреляций между конкретными генами устойчивости и составом микробиома.

Уровень тетрациклиновых генов устойчивости продолжал увеличиваться после прекращения обработки. Особи, получавшие антибиотик все 15 дней, и те, у которых обработка была остановлена после седьмого дня, имели сходный уровень генов устойчивости к тетрациклину. Количество генов резистентности увеличивалось как при непосредственном влиянии антибиотиков, так и при контакте с обработанными особями.

Смешивание опытных и контрольных насекомых показало, что одно крупное смешивание (1:1) приводило к более выраженному увеличению числа генов антибиотикорезистентности, чем более частое смешивании в меньшем соотношении.

Образцы грунта показали те же закономерности для генов устойчивости к тетрациклину. Авторы считают, что копрофагия у тараканов облегчает передачу бактерий и генов резистентности к антибиотикам. Микробиом кишечника насекомых и бактериальный состав грунта были схожими.

P. surinamensis не повторяет микробиом человека или млекопитающих, но представляется удобной и эффективной системой для изучения динамики передачи устойчивости к антибиотикам, особенно в контексте социальных взаимодействий. Для переноса результатов на человеческую популяцию требуются дальнейшие исследования на млекопитающих.

Микробиом пластикового мусора в реках обогащен генами антибиотикорезистентности