Антибиотики по праву считаются одним из важнейших достижений в истории медицины. Их внедрение в клиническую практику в 1940-х годах стало важной вехой в лечении инфекционных заболеваний и инфицированных ран. С тех пор эти лекарства многократно улучшили здоровье людей и увеличили продолжительность жизни населения Земли.
Сегодня устойчивость бактерий к лекарствам стала глобальной угрозой и представляет собой серьезную проблему для медицины. Широкое и зачастую бесконтрольное применение антибиотиков в медицине, ветеринарии и сельском хозяйстве создало идеальные условия для появления резистентных микроорганизмов.
Однако это явление возникло гораздо раньше, чем мы могли бы подумать. У бактерий были механизмы резистентности задолго до открытия и внедрения антибиотиков в клиническую практику. Устойчивость к химическим воздействиям — сложное, широко распространенное и глубоко укоренившееся эволюционное явление.
Исследования выявили механизмы устойчивости к антибиотикам у микроорганизмов, выделенных из естественных сред обитания, где влияние человека минимально или отсутствует. К таким средам относятся глубокие подземные горизонты и океаническое дно, а также древние среды, такие как вечная мерзлота и изолированные пещеры.
Интересно, что многие механизмы устойчивости, описанные в этих нетронутых экосистемах, происхождение которых датируется тысячами или даже миллионами лет назад, схожи или даже идентичны тем, которые наблюдаются у современных патогенных бактерий. Это говорит о том, что сохранение и передача механизмов устойчивости в ходе эволюции обеспечивает селективное преимущество.
Выживание во льдах и пещерах
Гены устойчивости, обнаруженные в образцах вечной мерзлоты, возраст которых составляет 30 000 лет, поразительно похожи на те, что встречаются сегодня. Эти штаммы были такими же живучими, как и более современные, которых не берут β-лактамные антибиотики, тетрациклин и ванкомицин.
Штаммы стафилококка, устойчивые к аминогликозидам и β-лактамам, также были выделены из образцов вечной мерзлоты возрастом ни много, ни мало 3,5 миллиона лет!
Есть и более древние примеры, такие как пещера Лечугилья в Нью-Мексико, США, среда обитания в которой считалась изолированной в течение 4 миллионов лет. Тем не менее, исследование 2016 года обнаружило в Лечугилье бактерии Streptomyces и Paenibacillus, которые были устойчивы к большинству антибиотиков, используемых в клинической практике сегодня.
Золотистый стафилококк, устойчивый к метициллину — это полное название бактерии, на которую не действует на самом деле множество лекарств и которая вызывает серьезные инфекции. Исследование 2022 года показало, что некоторые штаммы были устойчивы к антибиотикам задолго до того, как медики начали использовать эту группу препаратов. Существует гипотеза, что адаптация возникла в организмах ежей, питающихся грибами, которые вырабатывают природные антибиотики.
Исследования показали, что конкуренция за ресурсы и адаптация к различным средам обитания были ключевыми факторами в эволюции устойчивости к антибиотикам.
В условиях, предшествовавших появлению лекарств, природные антибиотики не только играли экологическую роль, подавляя рост бактерий-конкурентов, но и способствовали выживанию видов-продуцентов. Кроме того, очень малые количества антибиотиков действовали как сигнальные молекулы, влияя на взаимодействие и баланс микробных сообществ.
Эта динамичная среда способствовала развитию защитных стратегий у микроорганизмов, подвергающихся воздействию антимикробных препаратов. Это, в свою очередь, привело к диверсификации и распространению механизмов резистентности с течением времени.
Смотреть вперед, оглядываясь назад
В настоящее время предполагается, что гены устойчивости к природным антибиотикам могли передаваться сначала от микроорганизмов окружающей среды к симбиотическим организмам человека, а затем уже к его патогенам. Этот процесс передачи из окружающей среды в организм человека является случайным: чем более распространен механизм устойчивости в окружающей среде, тем выше вероятность его передачи.
Резервуары резистентности в окружающей среде могут ускорить эволюцию бактерий в направлении множественной лекарственной устойчивости под воздействием антибиотиков. Поэтому при разработке или внедрении новых стратегий борьбы с устойчивостью к препаратам крайне важно учитывать огромное разнообразие генов резистентности в популяциях микроорганизмов, которые никак не связаны с человеком.
Недавно ученые сообщили о создании полной компьютерной симуляции кишечного микробиома, содержащего несколько триллионов бактерий.
