Niemal wszystkie nasze antybiotyki są zaprojektowane do zabijania rosnących bakterii. Jeśli bakterie nie rosną, nie giną. Wyobraź sobie mikroby jako rowery, a antybiotyki jako kije. Jeśli koła roweru obracają się, dobrze uplasowany kij może spowodować katastrofalne zniszczenia. Jeśli koło nie porusza się, kij nieszkodliwie przechodzi między szprychami.
Ta strategia pokonania antybiotyków nazywa się tolerancją, uporczywością albo uśpieniem. Ma wiele nazw, ale wspólny wątek jest taki: przyczaj się, poczekaj, aż minie niebezpieczeństwo i znowu zacznij rosnąć.
To właśnie zrobiła pospolita bakteria jelitowa Escherichia coli kiedy Ofer Fridman z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie wystawił ją na działanie antybiotyku ampicyliny. Mimo że używał bardzo wysokich dawek, przeżyło około 1 na tysiąc komórek. Fridman wziął te, które przetrwały i hodował je ponownie, zanim poddał je znowu działaniu antybiotyku. Po dziesięciu cyklach około jednej dziesiątej komórek przetrzymywało ampicylinę.
Te bakterie nie były oporne. Były równie wrażliwe na ampicylinę jak ich przodkowie z pierwszego pokolenia. Zamiast tego wyewoluowały tolerancję. Spędzały więcej czasu w stanie uśpienia zanim zaczynały znowu rosnąć i dzielić się, co pozwalało im przesypiać nalot ampicyliny. I ze zdumiewającą precyzją przystosowywały długość tej przerwy na sen - opóźnienie.
Fridman zawsze poddawał różne grupy E.coli działaniu ampicyliny w równie długich odcinkach czasu. Jakakolwiek była długość tego odcinka czasu bakterie szybko wyewoluowały odpowiednie regulatory czasowe. Te komórki, które były poddane działaniu ampicyliny przez trzy godziny, miały przeciętnie 3,5 godzinne opóźnienie. Te, które doświadczały pięciogodzinnego działania, wyewoluowały opóźnienie 5,1 godziny. Osiem godzin ampicyliny? Dziesięć godzin opóźnienia. Nie zamykały się po prostu – zamykały się na dokładnie właściwy odcinek czasowy!
Nikt nie wie, jak bakterie potrafią tak dokładnie dostroić swój wzrost, ale zespół badawczy znalazł przynajmniej wskazówki, w jaki sposób nabyły tolerancję. Zsekwencjonowali genomy wszystkich bakterii, które wyewoluowały tolerancję, i odkryli, że wszystkie mają wspólne mutacje na sześciu genach. Zespół przywrócił następnie te zmutowane geny do ich wersji oryginalnej i odkrył, że trzy z nich były odpowiedzialne za tolerancję.
Dwa z nich dotyczyły programów komórkowych, które potrafią “przekonać” bakterie, że wokół brak pożywienia i wywołać stan zagłodzenia, który powoduje, że przestają rosnąć. Trzeci nadal stanowi zagadkę.
“Nie było jasne, czy uśpione bakterie po prostu istnieją w populacji bakterii, czy też ta strategia pozostawania w uśpieniu może wyewoluować” – mówi Nathalie Balaban, która kierowała badaniem. Jej zespół znalazł wyraźne dowody, że to drugie jest możliwe i to z szybkością, która zaskoczyła Balaban. „Taka strategia może wyewoluować w ciągu 10 dni od rozpoczęcia podawania antybiotyku”. Sugeruje to, że podobne zjawiska mogą zachodzić u pacjentów.
Jeśli bakterie, które zakażają nas, zmieniają swoje opóźnienia z podobną precyzją, to jest to olbrzymi problem. W odróżnieniu od mutacji oporności, które pozwalają bakteriom na powstrzymanie działania specyficznych klas antybiotyków, tolerancja wynikająca z opóźnionego wzrostu jest obroną wszechstronną. Potencjalnie może pozwolić mikrobom na wytrzymanie wszystkich naszych leków.
Istotnie, zespół Fridmana wykazał, że kiedy E. coli raz wyewoluuje tolerancję na ampicylinę, potrafi także tolerować inny antybiotyk - norfloxacin. Ponieważ zaś tolerancyjne bakterie są wielokrotnie poddawane tym samym lekom, istnieją wielkie możliwości wyewoluowania oporności również na nie.
Czy tolerancja może zostać pokonana? To trudne pytanie, mówi Balaban. Może utrzymywanie wysokich poziomów antybiotyków przez tak długo, jak to możliwe, pomoże tutaj, ale może to również pobudzić pojawienie się oporności. Istnieje również możliwość ingerencji w geny, które napędzają ewolucję tolerancyjności.
Albo też najlepszą drogą może być wynalezienie leków, potrafiących zabijać uśpione bakterie, które nie rosną. Już zaczęły się prace nad takimi lekami, włącznie z tymi, które potrafią przebić zewnętrzną otoczkę bakterii i spowodować, że jej wnętrze wylewa się. Żaden z nich nie jest jednak jeszcze bliski zatwierdzenia do stosowania klinicznego. Jeśli chodzi o antybiotyki, niewiele jest dobrych wiadomości, a złe ciągle się pojawiają.
Źródło: Fridman, Goldberg, Ronin, Shoresh & Balaban. 2014. Optimization of lag time underlies antibiotic tolerance in evolved bacterial populations. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature13469
Więcej o uporczywości i tolerancji:
Sleeper cells – the secret lives of invincible bacteria
Killing Sleeper Cells and Superbugs with Assassin Janitors
Sleeping through the blitz
Not Exactly Rocket Science, 25 czerwca 2014
Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska
