Сверкающая бездна. Какие тайны скрывает океан и что угрожает его глубоководным обитателям - Хелен Скейлс
Чтобы выжить в борьбе за пространство и ресурсы, микробы постоянно ведут химическую войну. Они убивают друг друга, производя смертоносные вторичные метаболиты.
Природные антибиотики существовали миллиарды лет, прежде чем люди научились их использовать, и микробам постоянно приходилось совершенствовать способы выживания после химических атак со стороны соседей.Таким образом, гены микробов эволюционировали в ответ на воспроизводство антибиотиков, порождая резистентные гены. Это гонка вооружений, в которой враги разрабатывают новое оружие, а противники отвечают новыми способами отвести удар или блокировать его. Гены, в которых зашифрован код резистентности, могут даже перемещаться между бактериальными клетками по кольцевым молекулам ДНК, называемых плазмидами, и таким образом быстро распространяться. Чтобы повысить резистентность, микробы вырабатывают новые токсины для нанесения очередного удара, и процесс повторяется.
Современная медицина и сельское хозяйство значительно ускорили этот процесс, благодаря чему появились супербактерии. Антибиотики производятся в лабораториях и вводятся людям и скоту в гораздо больших количествах, чем это происходит в природе. Подвергая бактерии воздействию огромных доз их собственного лекарства, люди вызывают то, что ранее считалось редкими генетическими мутациями, а теперь быстро превращается в обычное явление. Недавний пример – колистин, антибиотик, который доступен с 1950-х годов, но не часто используется для лечения людей, поскольку опасен для почек. Однако он широко применяется в животноводстве в качестве стимулятора роста. В 2015 году в бактериях, которыми были заражены свиньи в Китае, обнаружили ген mcr-1, устойчивый к колистину. В течение восемнадцати месяцев этот ген распространился среди бактерий на пяти континентах, в некоторых местах заразив 100 % животных на фермах. Бактерии, устойчивые к колистину, стали обнаруживаться и у все большего числа людей. Несмотря на все побочные эффекты, колистин по-прежнему используется как последнее средство для лечения стойких инфекций, но с распространением гена mcr-1 его, вероятно, вскоре выбросят на свалку устаревших препаратов.
Рост устойчивости к антибиотикам превратился в мировую эпидемию, которую многие считают одной из самых серьезных угроз для здоровья человека в будущем. Имеющиеся в нашем распоряжении лекарства, такие как ванкомицин, метициллин и пенициллин, уже не работают так, как раньше, поэтому требуются новые антибиотики. Без них даже обычные операции могут быть опасны для жизни. По прогнозам, к 2050 году инфекции, устойчивые к антибиотикам, будут ежегодно уносить жизни как минимум десяти миллионов человек.
Одна из причин распространения супербактерий состоит в том, что за последние тридцать лет не было введено ни одного антибиотика нового типа. Антибиотики одной группы действуют на бактерии одинаково. К примеру, бета-лактамы – это группа, включающая пенициллин, антибиотики этой группы препятствуют правильному образованию поперечных связей в клеточных стенках бактерий, ослабляя их и вызывая разрыв; группа тетрациклинов блокирует синтез белка в бактериях, в результате чего бактерии не могут размножаться и расти; группа хинолонов подавляет репликации бактериальной ДНК.
Большинство доступных антибиотиков – это вариации существующих препаратов. Они бьют по одним и тем же старым целям в клетках бактерий, которые становятся все мудрее в своей игре. Чтобы обойти эту проблему и создать антибиотики, к которым бактерии еще не выработали устойчивость, требуется открыть совершенно новые механизмы уничтожения. Это может быть токсин, пробивающий дыры в клеточных стенках, воздействуя на различные молекулы или каким-то образом вмешиваясь в работу ключевых ферментов. В идеале это должно быть что-то такое, до чего еще никто не додумался. Поиск инноваций такого рода приведет ученых к бактериям внутри глубоководных кораллов и губок. Конечная цель – найти химические вещества, вырабатываемые самими бактериями для уничтожения чужеродных бактерий.
* * *
В Плимутском университете на южном побережье Великобритании работает глубоководный биолог Керри Хауэлл, специалист по экосистемам кораллов и губок и сложным сообществам микробов, живущих в них. Некоторые микробы не служат какой-либо продуктивной цели, в то время как симбиотические микробы приносят пользу кораллам и губкам. Они не считаются хемосинтетическими, как микробы гидротермальных источников, однако могут помогать своим хозяевам получать пищу или ключевые питательные вещества, как это делают бактерии червей-костоедов. Мэт Аптон, работающий в том же университете, тестирует губки и кораллы Хауэлла. Он разминает образцы в кашицу, распределяет по чашкам Петри и инкубирует, чтобы посмотреть, что вырастет. Если появляются растущие колонии микробов, команда Аптона отбирает и выделяет чистые штаммы, которые затем проверяют на предмет того, какие другие микробы они убивают.
Главное в этой работе – вынудить микробы начать производить токсичные соединения, что не происходит постоянно, поскольку микробы включают химическую защиту только тогда, когда она им необходима.Один из подходов – подстегнуть их химическим способом. Для этого их купают в веществах, которые, как известно, включают гены для выработки антибиотиков.
При выращивании микробов в лаборатории условия настолько искусственные, что в результате будет получено не более двух-трех различных соединений. «Приходится напоминать себе, что мы, вероятно, видим лишь малую часть того, что есть на самом деле», – говорит Аптон. Как ни старайся обеспечить бактериям комфортные условия, лаборатория в Плимуте все же чрезвычайно далека от морских глубин.
Альтернативная стратегия Аптона заключается в том, что он ищет не только сами токсины, но и генетическое руководство по их производству. Секвенирование бактериальной ДНК может выявить двадцать или тридцать генных систем, связанных с выработкой антибиотиков. Таким образом можно идентифицировать соединения, которые бактерии способны производить, независимо от того, включают они эти гены или нет.
Данный метод сработает только для тех разновидностей глубоководных бактерий, которые обладают пьезотолерантностью, то есть нормально функционируют при высоком давлении, но способны жить в лабораторных условиях. Гораздо сложнее обстоит дело с облигатными пьезофилами, которые предпочитают расти под сокрушительным глубинным давлением; они настолько хорошо приспособлены к этим условиям, что на поверхности не выживают. Для изучения таких микробов исследователи разработали герметичные контейнеры для отбора проб под давлением и специальное лабораторное оборудование. Исследователи из Японского агентства морских геологических наук и технологий даже создали в лаборатории искусственный гидротермальный источник, воспроизведя в нем условия, необходимые некоторым особенно разборчивым микробам. Эти микробы отказываются расти, пока не убедятся, что они на глубине более мили, в токсичном горячем жерле под высоким давлением. Как только в лабораториях будут созданы колонии таких микробов, исследователи смогут приступить к изучению того, как функционируют эти экстремофилы и какие
