Засухи способствуют развитию антибиотикорезистентности

Рис. 1. На макроуровне почва представляется сложным конгломератом увлажнённых комочков органики, минеральных частиц и живых организмов. Но на микроуровне почва состоит из огромного количества микроскопических водоёмов, в которых обитают бактерии, сталкиваясь с антибиотиками своих конкурентов. Рисунок выполнен с помощью сервиса Mind The Graph

В экологии одна из наиболее актуальных проблем — изменение климата, в медицине — антибиотикорезистентность. Новое исследование американских учёных демонстрирует, что между этими явлениями есть тесная связь. Из-за повышения средних температур климат становится засушливее, почвы чаще высыхают, и выделяемые почвенными микроорганизмами антибиотики концентрируются в «микроводоемах» в порах почвы. В итоге выживают самые резистентные бактерии, и после каждой засухи резистентных штаммов в почве становится больше. Исследование также показало, что эти штаммы потом оказываются в клиниках, представляя угрозу для пациентов — что напоминает о принципе «всё связано со всем».

Распространение антибиотикорезистентности среди бактерий — одна из самых значительных угроз современному здравоохранению. Обычно его связывают с селекцией устойчивых штаммов непосредственно в человеческой популяции, особенно во внутригоспитальной среде, в результате нерационального применения антибиотиков. Но молекулярная эволюция показывает, что антибиотикорезистентность появилась без участия человека в природной среде, — например, первые метициллинрезистентные золотистые стафилококки завелись у ежей задолго до открытия пенициллина.

Сама история с открытием пенициллина показывает, что бактерии и грибы производили антибиотики за миллионы лет до Пастера и Левенгука, чтобы сдерживать своих конкурентов — и те были вынуждены отбиваться. Этот процесс продолжается и сейчас, приводя к распространению генов антибиотикорезистентности даже без участия человека. На данный момент очевидно, что антибиотикорезистентность формируется и эволюционирует не только в больничных палатах, но и в окружающей среде. А раз так — может ли изменение состояния окружающей среды приводить к распространению антибиотикорезистентности? Например, изменение климата, сопровождающееся засухой?

Засухи непосредственно влияют на состояние почвы — самой насыщенной микроорганизмами оболочки Земли. Именно почва является средой обитания огромного количества грибов, сапротрофных бактерий, ризобактерий. Это сообщество зависит от сложной структуры почвы, состоящей из минеральных частиц, органических остатков и воды в свободном и полусвязанном состоянии (рис. 1). Засуха меняет его структуру кардинально, резко уменьшая объём водной фазы. Может ли это как-то влиять на обитающие в почве бактерии, делая их более устойчивыми к антибиотикам?

Этим вопросом задались американские исследователи, проанализировавшие 5 наборов «сырых» данных метагеномных исследований, происходивших из 4 разных локаций: сельскохозяйственного участка в Калифорнии, луга в том же штате, участка леса в Швейцарии и болотистого участка в городском округе Наньчан в Китае. Для каждого участка имелись наборы метагеномных данных в разные временные точки (засушливый период и период обильного увлажнения) или в разных местах в пределах участка (более сухих и более влажных).

Эти данные были получены в более ранних исследованиях, но авторы подвергли их повторному анализу. В каждом наборе они посчитали относительную распространённость генов, вовлечённых в биосинтез антибиотиков или в резистентность к ним. В первом приближении это можно представить как количество коротких прочтений (см. врезку), соответствующих каждому гену, в каждом образце. Но количество этих прочтений может быть связано просто с разным числом бактерий того или иного вида — поэтому исследователи нормировали распространённость генов биосинтеза антибиотиков и антибиотикорезистености на 25 ключевых генов «домашнего хозяйства» (housekeeping genes) — консервативных генов, кодирующих жизненно важные для клетки процессы, которые редко меняются в ходе эволюции.

Анализ показал, что в более сухих условиях генов антибиотикорезистентности и биосинтеза антибиотиков действительно становилось количественно больше. Гены, подвергшиеся такому «обогащению», были связаны с клинически значимыми антибиотиками, такими как хлорамфеникол (левомицетин), стрептомицин, ванкомицин и даже карбапенемы — мощные антибиотики резерва. Чтобы исключить неспецифический характер изменений, автор взяли ещё один отрицательный контроль — ген cheA, отвечающий за хемотаксис и не входящий в число генов «домашнего хозяйства» — и не нашли значимых изменений в его распространённости. Наблюдаемый эффект был явно селективным — всё выглядело так, будто антибиотикорезистентные штаммы при засухе размножались, получая явное преимущество над антибиотикочувствительными, либо среди бактерий распространялись сами гены антибиотикорезистентности, либо оба процесса происходили вместе.

Увеличение распространённости генов биосинтеза антибиотиков, скорее всего, объясняется коэволюцией: если конкуренты становятся более резистентными, то продуценту антибиотиков приходится вырабатывать их активнее. Иначе соседи, ставшие нечувствительными к его антибиотикам, просто отберут у него остатки пищи и воды.

Аналогичные результаты получились у авторов в эксперименте, где они инокулировали образцы стерилизованной почвы чистыми культурами бактерий и инкубировали их с антибиотиком феназин-1-карбоновой кислотой (PCA) при высушивании и в обычных условиях. Затем они сравнивали результаты посева на чувствительность к этому антибиотику у тех культур, которые подверглись инкубации с высушиванием, и тех, которые инкубировались во влажных условиях. После «испытания высушиванием» лабораторные культуры тоже становились устойчивее, чем просто при инкубации в почве с антибиотиком — высушивание явно ускоряло эволюцию антибиотикорезистентности прямо в пробирке.

Такие результаты авторы объясняют уже упоминавшейся выше сложной структурой почвы: если мысленно «убрать» из почвы все живые организмы, обильно её населяющие, то почва окажется просто сетью микроводоёмов в матрице из твёрдых минеральных и органических частиц. Бактерии плавают в этих небольших водоёмах, гифы грибов и актиномицетов «купаются» в них, и в них же растворяются все выделяемые микроорганизмами вещества, включая антибиотики. При наступлении засухи микроводоёмы уменьшаются в объёме за счёт испарения воды, при этом антибиотики не испаряются. Бактерии оказываются как бы в более концентрированном растворе антибиотика — в котором выживают более резистентные (рис. 2).

Рис. 2. В увлажнённой почве (вверху) антибиотики, производимые бактериями и грибами, хорошо разбавлены водой. И часть бактерий приобретает резистентность к ним (обозначены красным цветом), а часть остаётся чувствительной (обозначены зелёным цветом). Но при засухе (внизу) объём водных пространств почвы уменьшается, а антибиотики сохраняются. Сталкиваясь со всё большей концентрацией антибиотиков, всё больше бактерий приобретает к ним резистентность (становятся красными). Рисунок выполнен с помощью сервиса Mind The Graph

Но самый главный неприятный сюрприз исследования — отнюдь не в этом. А в его третьей части, которая непосредственно почв не касается, но демонстрирует похожую закономерность. Как обнаружили авторы, засушливость климата коррелирует с частотой обнаружения антибиотикорезистентных штаммов в клиниках, причём корреляция сильная (R² = 0,8). Эта корреляция указывает, что разворачивающиеся в почве процессы отражаются и на пациентах клиник, а резистентные штаммы, выросшие в высушенной почве, быстро оказываются в больничных стенах.

Авторы детально не описывают механизмы такого переноса, но о них можно догадаться исходя из общих эпидемиологических знаний. Больницы не существуют в вакууме. Микрофлора окружающих населённых пунктов постоянно приносится в отделения пациентами и сотрудниками. В частности, бактерии прибывают в больницы с пациентами, у которых они вызвали инфекционные заболевания, ставшие причиной обращения. Их приносят на обуви и одежде те же пациенты и сопровождающие их лица, да и сами врачи. А недавнее исследование показало, что даже смартфоны врачей являются рассадниками антибиотикорезистентных бактерий — так что бактерии могут путешествовать и на них. Это, в общем-то, было очевидно.

Обсуждаемое исследование лишь показало масштаб этого явления — и по всей видимости, он стал новостью для научного сообщества. Об этом говорит хотя бы заголовок популярного синопсиса Nature к этому исследованию: «Изменение климата ускоряет перенос устойчивости к антибиотикам из почвы в больницы». Этот заголовок не совсем строгий с научной точки зрения: засуха технически не ускоряет трансфер бактерий из почв во внутрибольничную среду, а лишь способствует распространению антибиотикорезистентности внутри почвы. Но итоговый эффект говорит сам за себя.

Правильнее будет сказать, что полученные данные заставляют задуматься о микробиоме почв и микробиоме клиник как тесно взаимосвязанных вещах — и взглянуть на проблему антибиотикорезистентности с экологической точки зрения. В медицине принято фокусироваться на рациональной антибиотикотерапии и недопущении бесконтрольного применения антибиотиков как панацее от устойчивости к препаратам. Это важно, но достаточно ли этого? Возможно, сдерживание антибиотикорезистентности будет неполным до тех пор, пока мы не научимся контролировать те экологические условия, которые к ней приводят. Включая изменение климата.

Обсуждаемая статья: X. Shan et al. Drought drives elevated antibiotic resistance across soils // Nature Microbiology, v. 11, pp. 867–876 (2026).

Популярный синопсис: Timothy M. Ghaly. Climate change propels antibiotic resistance from soils into hospitals // Nature Microbiology, v. 11, pp. 843–844 (2026).

Георгий Куракин