Микроорганизм из тысячелетних ледовых отложений устойчив к современным антибиотикам

Значительная часть Земли покрыта льдами, а ледяные места обитания — это резервуар психрофильных микроорганизов. Со временем эти микроорганизмы могут стать более доступными в связи с глобальным изменением климата и таянием льдов. Изучение их свойств — интересная и важная задача.

Микробиом вечной мерзлоты, ледяных щитов, морского льда, ледниковых озер и снега изучены относительно хорошо, но мало известно про микроорганизмы ледяных пещер. Ледяная пещера Скэришоара (Румыния) — одна из наиболее хорошо изученных. Исследования показали, что многолетние ледяные отложения пещеры богаты микроорганизмами. В 1986 году был описан род Psychrobacter. Он широко распространен, обычно его представители встречаются в холодных и соленых местах обитания. Некоторые виды вызывают инфекции, другие потенциально полезны для биотехнологии. Румынские исследователи изолировали и функционально охарактеризовали новый штамм Psychrobacter cryohalolentis SC65A.3 из 5000-летних ледяных отложений пещеры Скэришоара. Особый интерес представляли механизмы антибиотикорезистентности нового штамма.

Чтобы добыть бактерию, команда извлекла 25-метровый ледяной керн в районе пещеры, известной как Большой зал. Чтобы избежать контаминации, фрагменты льда, извлеченные из керна, были помещены в стерильные пакеты и хранились в замороженном виде по пути обратно в лабораторию.

Бактериальные колонии были оранжево-розового цвета, они росли при температурах от 4 °C до 15 °C с допустимой соленостью до 1,9 М NaCl и 0,9 М MgCl2. Анализ 16S рРНК SC65A.3 показал совпадение на 97% со штаммом Psychrobacter glaciei Bic20019, изолированным из арктического льда. Филогенетический анализ подтвердил, что SC65A.3 принадлежит к роду Psychrobacter.

Штамм вырабатывал такие ферменты, как липаза, щелочная фосфатаза, эстераза. Низкая ферментативная активность отмечена для валинариламидазы, цистинариламидазы, трипсина, α-химотрипсина, α-глюкозидазы и н-ацетил-β-глюкозаминидазы, тогда как активность α-галактозидазы, β-галактозидазы, β-глюкуронидазы, β-глюкозидазы, α-маннозидазы и α-фукозидазы не наблюдалась.

Профиль утилизации субстратов показал, что штамм приспособлен к восстановлению нитратов, гидролизу мочевины, ассимиляции цитрата и гидролизу эскулина (β-глюкозидаза).

Штамм был устойчив к антибиотикам узкого спектра действия (например, клиндамицину, линкомицину, ванкомицину), к метронидазолу и к 6 антибиотикам широкого спектра действия из 21. По определению, этот штамм демонстрирует фенотип множественной лекарственной устойчивости. Однако авторы призывают отнестись к интерпретации этих данных с осторожностью, учитывая, что об этом виде известно мало, и условия, в которых проводились опыты, могли быть не оптимальными для определения резистентности к антибиотикам.

Изолят ингибировал штаммы ATCC S. aureus и E. coli, а также 12 из 20 протестированных клинических патогенов. Примечательно, что SC65A.3 демонстрировал антимикробную активность в отношении нескольких грамотрицательных патогенов, включая Enterobacter spp., Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae и E. coli ATCC 25922.

Исследователи секвенировали геном SC65A.3 на приборах PacBio, выделили 2602 аннотированные кодирующие последовательности (CDS), 50 генов тРНК и 15 генов рРНК с одним локусом CRISPR. Филогенетический анализ показал те же паттерны, что и при анализе 16S рРНК.

Функциональная аннотация позволила выявить 2543 гена, в том числе связанные с общими функциями (231), транспортом и метаболизмом аминокислот (199), производством и преобразованием энергии (167), трансляцией, структурой рибосом и биогенезом (160), репликацией, рекомбинацией и репарацией (145), транспортом и метаболизмом неорганических ионов (139), а также биогенезом клеточной стенки/мембраны/оболочки (128). Кроме того, было аннотировано более 100 генов, связанных с посттрансляционной модификацией, оборотом белка, активностью и транскрипцией шаперонов. Примечательно, что функции значительного количества генов (597) были неясны. Еще 45 генов были связаны с температурной адаптацией, 29 — с тепловым шоком и 16 — с ответом на холод. Большинство этих генов (21) являются шаперонами, участвующими в посттрансляционных модификациях.

Было выявлено 107 генов, связанных с устойчивостью к противомикробным препаратам, из них 44 могут быть связаны с врожденной или приобретенной устойчивостью к антибиотикам, протестированным в данном исследовании. Анализ генома SC65A.3 на наличие генов, которые могут участвовать в антимикробной активности, выявил в общей сложности 11 генов-кандидатов. Эти гены участвуют в биосинтезе субланцина, S-связанного гликопептида (sunS), пикромицина (pikAII), бутирозина (btrK), ребеккамицина (rebO) и других соединений.

«Если таяние льда высвободит эти микробы, их гены могут распространиться на современные бактерии, что усугубит глобальную проблему устойчивости к антибиотикам», — сказала Кристина Пуркареа, последний автор статьи, старший научный сотрудник Бухарестского института биологии Румынской академии. «С другой стороны, они производят уникальные ферменты и противомикробные соединения, которые могут вдохновить на создание новых антибиотиков, промышленных ферментов и других биотехнологических инноваций».

ИИ выявляет антибиотикорезистентные бактерии по микрофотографиям