Ученые выяснили, как сальмонеллы растут в кишечнике и обмениваются устойчивостью к антибиотикам
По словам исследователей из ETH Zurich, способность использовать всего один альтернативный источник пищи — это все, что нужно для размножения вызывающих диарею бактерий сальмонеллы, когда кишечник уже колонизирован близкородственным штаммом. Такое сосуществование делает возможным обмен устойчивостью к антибиотикам. Результаты нового исследования были недавно опубликованы в журнале Cell Host & Microbe.
Бактерии становятся все более устойчивыми к обычным антибиотикам, и одним из ключевых факторов, способствующих этой проблеме, является обмен генами устойчивости к антибиотикам между близкородственными бактериальными штаммами. Когда эти родственные бактерии сближаются, они могут делиться информацией о том, как выжить после антибиотиков. К сожалению, наш кишечник, по-видимому, обеспечивает идеальную среду для такого обмена. Причины этого так и остались неясными.
Согласно классической теории, такого обмена в норме вообще не должно происходить, поскольку микробные взаимодействия не позволяют близкородственным штаммам бактерий заселить одно и то же место в одно и то же время.
Кишечник млекопитающих является домом для тысяч видов бактерий, которые тесно взаимодействуют друг с другом, образуя густонаселенные сообщества — кишечную микробиоту . Эти сообщества обеспечивают основные функции своего хозяина, включая устойчивость к патогенным бактериям.
В нормальном здоровом кишечнике резидентная микробиота предотвращает колонизацию кишечными патогенами различными способами, например, посредством конкуренции за молекулы пищи. И, согласно теории исключения ниши, бактериям одного и того же вида очень сложно процветать в уже колонизированном кишечнике, поскольку они конкурируют за одни и те же пищевые молекулы.
«Недавние наблюдения, кажется, ставят под сомнение эту точку зрения, показывая, что несколько членов семейства Enterobacteriaceae могут сосуществовать в кишечнике», — говорит Эрсин Гюль, постдоктор группы Вольфа-Дитриха Хардта, профессора микробиологии в ETH Zurich и член микробиомов NCCR.
Это ставит исследователей в тупик: как близкородственные бактериальные популяции с одинаковыми потребностями в питательных веществах могут сосуществовать в кишечнике и даже обмениваться информацией? Можно ли это предсказать по бактериальным геномам?
Чтобы пролить свет на эту загадку, команда исследователей под руководством Хардта исследовала динамику сосуществования бактерий в кишечнике. «Мы сосредоточились на понимании того, как вторичная группа бактерий может процветать, когда присутствуют близкородственные резидентные бактерии», — сообщает Гюль, который является первым автором своего исследования, в котором специально изучалось поведение патогенных бактерий сальмонеллы, известных своими пищевыми инфекциями, вызывающими диарея и родственные безвредные штаммы кишечной палочки.
Исследователи обнаружили, что эти бактерии используют различные пищевые ресурсы, когда растут в одиночку. Напротив, они могут расти и сосуществовать с другой популяцией Salmonella или E. coli только в том случае, если одна популяция использует тип пищевой молекулы, которую другая не может потреблять (здесь, галактитол или арабинозу).
Такое поведение раскрывает метаболическую стратегию, используемую этими бактериями, чтобы избежать конкуренции и размножаться в предварительно занятом кишечнике, и тем самым обеспечивает обмен важной информацией между этими микроорганизмами, включая механизмы выживания антибиотиков.
Полученные данные подчеркивают глубокое влияние пищевых компонентов. Только при наличии правильных пищевых молекул патогенные бактерии могут заразить наш кишечник и обменяться устойчивостью к антибиотикам. Эксперименты с мышами показали, что добавление определенного источника питательных веществ улучшает сосуществование двух популяций сальмонелл и приводит к увеличению числа устойчивых к антибиотикам бактерий.
Следовательно, наша диета может непреднамеренно способствовать распространению генов устойчивости к антибиотикам, предоставляя источники питательных веществ, которые избирательно способствуют росту определенных бактериальных популяций.
Выводы также имеют значение для дружественных бактерий в нашем кишечнике, поскольку они могут использовать ту же стратегию колонизации. «Наше исследование показывает, что небольшие различия в метаболической способности на уровне видов могут способствовать замене существующих штаммов микробиоты новыми», — объясняет Гюль.
Кроме того, эти идеи открывают захватывающие возможности для столь необходимых стратегий по борьбе с распространением устойчивости к антибиотикам и укреплению здоровой микробиоты кишечника. «Терапия на основе микробиоты может выиграть от сосредоточения внимания на этих альтернативных метаболических путях», — предполагает Гюль.
Хардт говорит: «Открытый принцип немного похож на расшифровку иероглифов первого предложения Розеттского камня — в будущем мы сможем систематически анализировать бактериальные геномы, чтобы предсказывать, могут ли два штамма сосуществовать, обмениваться ДНК и какие из них еда может еще больше способствовать этому».