Палочка Коха, похоже, умеет использовать даже воздушно-капельное путешествие от человека к человеку себе на пользу. Исследователи медицинского колледжа Weill Cornell в Нью-Йорке выяснили, что при высыхании в воздухе Mycobacterium tuberculosis испытывают сильный окислительный стресс и повреждение ДНК. В ответ они включают системы восстановления генома — и именно этот процесс может повышать вероятность мутаций, связанных с устойчивостью к антибиотикам. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Microbiology.
От кашля до микроскопической «капсулы»
Туберкулез передается через воздух: при кашле, разговоре и просто дыхании инфицированного человека в окружающую среду попадают мельчайшие капли с бактериями. Вода из них испаряется, капли уменьшаются и превращаются в так называемые ядра капель — частицы, которые могут оставаться во взвешенном состоянии и затем попасть в дыхательные пути другого человека.
Именно этот момент ученые решили рассмотреть не как обычную транспортировку бактерии, а как отдельный этап ее жизненного цикла. В лаборатории они моделировали высыхание и последующее увлажнение M. tuberculosis при контролируемой влажности.
Выяснилось, что пересыхание запускает у бактерий окислительный стресс. В клетках накапливаются активные формы кислорода, появляются повреждения молекул и разрывы обеих цепей ДНК. Причем масштаб повреждений оказался сопоставим с тем, который вызывают некоторые антибиотики и другие вещества, способные разрушать ДНК.
Но бактерия не сдается: после возвращения влаги она запускает целый комплекс механизмов по «ремонту» генома и способна частично восстановиться даже после продолжительного высыхания.
Самое интересное начинается именно после «сушки»
Ученые обнаружили неприятный нюанс. Высыхание не только проверяет бактерию на прочность, но и связано с появлением мутаций, которые могут сделать ее устойчивой к рифампицину — одному из ключевых препаратов для лечения туберкулеза.
В лабораторных экспериментах частота устойчивых к рифампицину вариантов после высыхания выросла в 50–100 раз по сравнению с бактериями, которые все время находились во влажной среде. При этом после дополнительного восстановления в питательной среде такой рост частоты мутаций исчезал.
Особое внимание исследователи уделили гену Mfd, участвующему в восстановлении поврежденной ДНК. Когда активность этого гена подавляли во время аэрозолизации, устойчивые к рифампицину бактерии хуже переживали высыхание.
Результат проверили не только на лабораторных образцах. Исследователи проанализировали 51 229 геномов микобактерий, выделенных от пациентов по всему миру. Анализ подтвердил связь между изменениями в Mfd и распространенной мутацией, вызывающей устойчивость к рифампицину.
Рифампицин особенно важен потому, что помогает сократить курс лечения туберкулеза примерно до четырех-шести месяцев. При устойчивости к препарату терапия становится значительно сложнее, дольше и токсичнее.
Новое исследование предлагает еще один взгляд на проблему: опасным для бактерии может быть не только пребывание внутри организма, но и короткий период между двумя хозяевами. Высыхание аэрозоля оказывается для микобактерии стрессом, который одновременно запускает ремонт ДНК и может способствовать появлению устойчивых вариантов.
Исследователи предполагают, что в будущем этот этап передачи инфекции можно будет использовать как отдельную мишень для терапии — например, воздействуя на Mfd и тем самым снижая выживаемость устойчивых бактерий в «бесхозяйный» период.
Повреждение ДНК, возникающее во время передачи, может способствовать генетическому разнообразию, которое позволяет туберкулезу адаптироваться и в некоторых случаях приобретать лекарственную устойчивость.
У палочки Коха есть и другие «трюки»
Исследование хорошо вписывается в картину необычной живучести M. tuberculosis. Например, ранее Hi-Tech Mail писал о другом механизме защиты возбудителя: российские ученые обнаружили фермент CPmtA, который участвует в создании защитных молекул и помогает делать мембрану микобактерии более устойчивой.
Еще один материал Hi-Tech Mail посвящен «скрытому переключателю» палочки Коха — механизму, который позволяет бактерии «притворяться мертвой» — переходить в состояние покоя и переживать воздействие лекарств.