Совместное культивирование меняет ответ бактерий на антибиотики

Антибиотики остаются эффективным способом борьбы с бактериями. Перед допуском антибиотика к использованию анализируется восприимчивость микроорганизмов к препарату. Тестирование проводится на изолированных штаммах, однако в естественных условиях различные виды бактерий практически никогда не бывают обособлены. Чаще всего они образуют бактериальные сообщества.

Ученые из университета Помпеу Фабра (Испания) проверили, как при кокультивировании будут реагировать на ампициллин бактерии, которые демонстрируют различную устойчивостью к нему в чистых культурах. Для экспериментов они использовали толерантную к ампициллину Bacillus subtilis и восприимчивую Escherichia coli.

Для предсказания результатов кокультивирования двух штаммов авторы построили математическую модель. Развитие бактерий в присутствии ампициллина описывалось с помощью дифференциальных уравнений. При построении модели учитывался молекулярный механизм взаимодействия антибиотика с мембраной бактериальной клетки: ампициллин инактивирует пенициллин-связывающие белки (PBPs; penicillin-binding proteins), которые работают на финальных стадиях синтеза клеточной стенки.

Анализ математической модели дал неожиданный результат: при совместном культивировании двух видов бактерий должна кардинально измениться их реакция на антибиотик: E. сoli, восприимчивая к ампициллину в чистой культуре, приобретает способность к росту, тогда как размножение толерантной B. subtilis ингибируется. Эти данные были подтверждены экспериментально (результаты представлены на рисунке).

Причиной разного ответа на ампициллин у монокультур бактерий авторы называют разницу в количестве пенициллин-связывающих белков (клетки E. coli несут больше PBPs, чем B. subtilis). Кроме того, эти два вида обладают разной способностью к инактивации антибиотика. Ученые предположили, что при совместном культивировании на ранних этапах B. subtilis снижает количество свободного антибиотика в среде, обеспечивая размножение E. coli. Кишечная палочка, в свою очередь, не может инактивировать ампициллин, но связывает его за счет PBPs. В итоге в среде долгое время сохраняется концентрация антибиотика, предотвращающая рост B. subtilis.

Изучение восприимчивости бактерий к антибиотикам необходимо для разработки более совершенных препаратов и успешного лечения многих заболеваний. Полученные данные говорят о том, что необходимо учитывать не только физиологию индивидуальных микроорганизмов, но и динамику бактериальных сообществ в ответ на воздействие препарата.