В древних льдах найдены бактерии, устойчивые к антибиотикам

Вечная мерзлота на Аляске: в некоторых местах лед имеет возраст 30 тысяч лет. Для ученых самых разных специальностей эти льды предоставляют уникальную возможность заглянуть в прошлое. Фото с сайта alaska-in-pictures.com

Канадские ученые исследовали фрагменты ДНК, заключенные в куске древнего льда. По этим фрагментам удалось не только определить, какие растения и животные обитали в данной местности 30 тыс. лет назад, но и выяснить некоторые свойства микробного сообщества тех эпох. Оказалось, что древние бактерии уже тогда имели гены устойчивости к антибиотикам. Этот вывод исключительно важен для понимания механизмов формирования устойчивости к современным лекарственным антибиотикам. Ученые подчеркнули, что гены резистентности к современным препаратам зачастую не появляются de novo, а просто выбираются из уже имеющегося набора.

Со времени открытия антибиотиков прошло уже семь-восемь десятилетий, такой же возраст имеет и проблема устойчивых к антибиотикам инфекций. Как ни изобретай новые сверхсильные антибиотики, в среднем через год-два препарат теряет свои сверхмощные свойства, а через десяток лет уже становится малоэффективным. Резистентные штаммы бактерий возникают на редкость оперативно, и естественный отбор способствует быстрому их распространению.

Предполагалось, что отправной точкой формирования резистентности служит удачная мутация. А уж дальше размножить и распространить успешных мутантов совсем нетрудно. Ученых, однако, зачастую удивляли и скорость, с которой нужная мутация обнаруживается в популяции, и скорость, с которой она распространяется, объявляясь одновременно в разных частях света. Этот феномен списывался на значительную скорость мутирования у бактерий и на параллельное возникновение нужных признаков. Канадские ученые из Университета Макмастера (Гамильтон, штат Онтарио) предложили другое объяснение данному феномену. Для этого они использовали уникальный материал и одновременно продемонстрировали блестящие возможности современной биологии.

Что же за материал им достался? Это были два куска льда из вечной мерзлоты на Медвежьем ручье на Клондайке, перекрытой сверху вулканическими отложениями. Возраст льда, измеренный несколькими независимыми методами, оценивался в 30 тысяч лет. Иными словами, 30 тысяч лет назад на озерных наносах сформировался толстый слой вечной мерзлоты с характерными сезонными структурами, затем произошло извержение вулкана, лед перекрыло пепловыми осадками; они, в свою очередь, сверху постепенно закрылись лессовыми осадками и почвой. Спрессованные мерзлотные отложения в этом месте имеют характерную упорядоченность, которая свидетельствует о том, что после извержения вулкана лед не таял. Всё, что на сегодняшний день вморожено в этот лед, попало туда 30 тысяч лет назад, а не позже с талыми водами.

Схематичное изображение последовательности осадков, откуда были выбраны два куска льда (два черных кружка) и силуэты животных, определенных по 12s-рРНК. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Лед в данном случае оказался подобен куску янтаря, в котором навечно застряли жители древних времен. Но теперь ученые применили куда более современные методы исследования вместо простого разглядывания просмоленных янтарных мушек и хвоинок. Они определили фрагменты замороженных нуклеиновых кислот. Конкретно, ученые акцентировали внимание на митохондриальной рибосомной РНК (рРНК) и ДНК. И по этим фрагментам определили, какие животные и растения существовали в момент образования мерзлоты. Удивительно — всего один кусок льда способен дать портрет исчезнувшей флоры и фауны!

Справа — количественное соотношение фрагментов рРНК из поверхностного льда (современные обитатели) и слева — из вечной мерзлоты (древний материал). Как видно, современная «фауна» резко отличается от плейстоценовой. Схема из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Nature

У штаммов энтерококков концевой дипептид меняет химическую структуру и перестает связываться в ванкомицином, формирую резистентные штаммы. Эта замена производится за счет специфического набора генов, выполняющих, насколько известно, только эту функцию. Схема из статьи: С. В. Сидоренко, В. И. Тишков. Молекулярные основы резистентности к антибиотикам (PDF, 1,4 Мб) // Успехи биологической химии. Т. 44. С. 263–306

Тогда, в позднем плейстоцене, на Клондайке можно было встретить бизонов, лошадей, баранов, куропаток и полевок. Люди также бродили по этим местам, хотя их число было сравнимо с куропатками или баранами. Их окружала богатая растительность: ивы, астры, кордии, полынь, различные злаковые (например, овсяница) и осоки.

Что же касается состава микрофлоры, то и ее оказалось возможно отличить от современных загрязнений и определить состав. Однако не сам состав микробиоты интересовал ученых, а то, насколько древние микробы были способны сопротивляться антибиотикам.

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые выявили из замороженной ДНК те участки, которые в настоящее время обеспечивают резистентность к лекарствам. Они выявили гены, обеспечивающие устойчивость к тетрациклину и ванкомицину, к пенициллину и стрептограмину. Так, сейчас устойчивость энтерококковых возбудителей к ванкомицину обеспечивается работой сложного оперона, включающего как гены-регуляторы, так и гены ферментов, меняющих конфигурацию концевых связей пептидов.

В древних пробах нашлись гены всех этих ферментов: и vanH, и vanA, и vanX. Естественно, они были не полностью идентичны современным аналогам, но на филогенетическом древе занимали промежуточную позицию между теми, что найдены среди современных бактерий. Ученые синтезировали соответствующие ферменты, ориентируясь на реконструированную последовательность vanA. Его третичная и четвертичная структура, важная как раз для исполнения своей защитной роли, оказалась такой же, как у современного фермента.

Оперон, обеспечивающий резистентность к ванкомицину: vanR и vanS — регуляторы экспрессии генов трех ферментов — vanH, vanA и vanX; их согласованная работа приводит к замене D-Ala на D-lac. Схема из статьи: С. В. Сидоренко, В. И. Тишков. Молекулярные основы резистентности к антибиотикам (PDF, 1,4 Мб) // Успехи биологической химии. Т. 44. С. 263–306

Ученые подчеркнули, что их работа совершенно однозначно указывает на существование резистентности к антибиотикам еще до их широкого внедрения в человеческий обиход. Антибиотики направляют отбор, а материалом для него служит наработанное тысячелетиями генетическое разнообразие.

Источник: Vanessa M. D’Costa, Christine E. King, Lindsay Kalan, Mariya Morar, Wilson W. L. Sung, Carsten Schwarz, Duane Froese, Grant Zazula, Fabrice Calmels, Regis Debruyne, G. Brian Golding, Hendrik N. Poinar, Gerard D. Wright. Antibiotic resistance is ancient // Nature. 22 September 2011. V. 477. P. 457–461.

Елена Наймарк