Bakterie „poświęcają” część populacji, aby osłabić działanie antybiotyków

Umierające komórki bakterii mogą uwalniać enzym rozkładający antybiotyk i w ten sposób zwiększać szanse na przetrwanie pozostałej części populacji. Niemiecko-holenderski zespół badawczy opisał ten mechanizm u dwóch szczepów Escherichia coli wystawionych na działanie antybiotyków beta-laktamowych. Wyniki pokazują, że w ochronie populacji uczestniczą zarówno bakterie przeżywające terapię, jak i komórki, które giną po kontakcie z lekiem.

Enzymatyczny mechanizm obronny bakterii

Bakterie mogą wykorzystywać enzym uwalniany przez obumierające komórki do ochrony całej populacji przed działaniem antybiotyku. Do takiego wniosku doszli naukowcy z Institut für Biologische Physik działającego w strukturach Universität zu Köln oraz z Wageningen University & Research.

Zespół kierowany przez prof. Joachima Kruga i prof. Arjana de Vissera wykazał, że bakterie Escherichia coli mogą wytwarzać beta-laktamazę – enzym zdolny do chemicznego rozkładania antybiotyków beta-laktamowych. W wyniku tej reakcji lek traci aktywność przeciwbakteryjną.

Beta-laktamazy należą do najważniejszych mechanizmów oporności na antybiotyki beta-laktamowe. W badanym układzie enzym był obecny zarówno wewnątrz żywych komórek, jak i w środowisku otaczającym bakterie. Zewnątrzkomórkowa beta-laktamaza pochodziła przede wszystkim z komórek ginących wskutek działania antybiotyku.

Wyniki badania opublikowano w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences w pracy zatytułowanej „Contributions of intra- and extracellular antibiotic degradation to collective β-lactam survival”. Projekt został sfinansowany przez Deutsche Forschungsgemeinschaft w ramach Sonderforschungsbereich 1310 „Vorhersagbarkeit in der Evolution”.

Dlaczego hodowla początkowo zamiera, a następnie odrasta?

Punktem wyjścia do przeprowadzenia badania była obserwacja dokonana przez pierwszego autora publikacji, dr. Rotema Grossa z Universität zu Köln. Badacz zauważył, że po podaniu antybiotyku liczebność hodowli bakteryjnej początkowo wyraźnie się zmniejszała. Po pewnym czasie pozostałe bakterie zaczynały jednak ponownie się namnażać, a hodowla odzyskiwała zdolność do wzrostu.

Naukowcy zbadali dwa różne szczepy E. coli. Bakterie należące do tego gatunku mogą być czynnikiem etiologicznym między innymi zakażeń dróg moczowych, zakażeń krwi, sepsy oraz zakażeń związanych z opieką zdrowotną.

Oba szczepy wystawiono na działanie antybiotyków beta-laktamowych – jednej z najczęściej stosowanych na świecie grup leków przeciwbakteryjnych. Do tej klasy należą między innymi penicyliny, cefalosporyny, karbapenemy i monobaktamy.

Pod wpływem beta-laktamazy stężenie aktywnego antybiotyku w środowisku hodowli stopniowo się zmniejszało. Gdy spadło poniżej wartości progowej, bakterie, które przetrwały pierwszą fazę ekspozycji, zaczynały się ponownie namnażać.

„Altruistyczna” śmierć komórek bakteryjnych

Znaczna część beta-laktamazy znajdującej się poza komórkami była uwalniana przez bakterie ginące wskutek działania antybiotyku. Enzym obecny w środowisku rozkładał lek nie tylko w bezpośrednim sąsiedztwie obumarłej komórki, lecz wpływał również na warunki, w których funkcjonowała cała populacja.

Śmierć części bakterii przyczyniała się zatem do długotrwałego przetrwania pozostałych komórek. Autorzy określili to zjawisko jako przykład „altruistycznej śmierci komórek” oraz kolektywnego zachowania populacji bakteryjnej.

Określenie „altruistyczna” opisuje w tym przypadku skutek obserwowany na poziomie populacji: pojedyncze komórki giną, ale uwolnione przez nie składniki zwiększają prawdopodobieństwo przetrwania innych bakterii. Nie oznacza ono świadomego działania czy intencjonalnego „poświęcania się” mikroorganizmów.

– Obumieranie części bakterii ma zatem istotny udział w długoterminowym przetrwaniu całej populacji, co można interpretować jako przykład altruistycznego zachowania zbiorowego – wyjaśnił prof. Joachim Krug.

Wewnątrzkomórkowy i zewnątrzkomórkowy rozkład antybiotyku

Badanie wykazało, że w neutralizowaniu antybiotyku uczestniczyły nie tylko komórki obumierające. Beta-laktamazę wytwarzały również żywe bakterie. W ich przypadku enzym pozostawał jednak wewnątrz komórki i rozkładał cząsteczki antybiotyku, które przedostały się przez błonę komórkową.

W populacji działały więc równolegle dwa mechanizmy:

• wewnątrzkomórkowy rozkład antybiotyku – beta-laktamaza pozostająca w żywej komórce neutralizowała lek, który dostał się do jej wnętrza;
• zewnątrzkomórkowy rozkład antybiotyku – beta-laktamaza uwolniona przez ginące komórki zmniejszała stężenie aktywnego leku w otoczeniu całej populacji.

Połączenie obu mechanizmów pozwalało bakteriom przetrwać stężenia antybiotyku, które początkowo prowadziły do śmierci znacznej części komórek. Wraz ze zmniejszaniem się ilości aktywnego leku warunki stawały się coraz bardziej sprzyjające dla bakterii, które przeżyły.

Znaczenie różnic pomiędzy szczepami E. coli

Uwalnianie beta-laktamazy przez obumierające bakterie zaobserwowano w przypadku obu analizowanych szczepów E. coli. Udział śmierci komórek w zmniejszaniu stężenia antybiotyku nie był jednak w obu populacjach jednakowy.

W jednym szczepie zewnątrzkomórkowy rozkład antybiotyku miał większe znaczenie, natomiast w drugim większą rolę mógł odgrywać enzym pozostający wewnątrz żywych komórek. Oznacza to, że nawet bakterie należące do tego samego gatunku mogą wykorzystywać różne proporcje mechanizmów prowadzących do przetrwania ekspozycji na lek.

Różnice te mogą wpływać na odpowiedź bakterii na inhibitory beta-laktamaz. Są to substancje stosowane w połączeniu z niektórymi antybiotykami beta-laktamowymi w celu zablokowania enzymu rozkładającego lek.

Inhibitory działające w środowisku otaczającym bakterie mogą neutralizować beta-laktamazę uwolnioną z uszkodzonych lub martwych komórek. Nie muszą jednak przenikać do wnętrza nieuszkodzonych bakterii w stężeniu pozwalającym na równie skuteczne zahamowanie enzymu wewnątrzkomórkowego.

Z tego względu populacja, której ochrona w większym stopniu zależy od „altruistycznej” śmierci komórek i zewnątrzkomórkowej beta-laktamazy, może być bardziej podatna na działanie inhibitorów beta-laktamaz.

Możliwe znaczenie dla skuteczności antybiotykoterapii

Połączenia antybiotyków beta-laktamowych z inhibitorami beta-laktamaz są już rutynowo wykorzystywane w leczeniu wielu zakażeń bakteryjnych. Nowe wyniki wskazują jednak, że skuteczność takiej terapii może zależeć nie tylko od obecności określonego enzymu, ale również od miejsca jego działania oraz biologii konkretnego szczepu.

– Zaskoczyła nas różnorodność mechanizmów obronnych, które bakterie mogą uruchomić nawet w prostych warunkach laboratoryjnych – podkreślił prof. Joachim Krug.

Badacze zaznaczają, że przewidywanie skuteczności konkretnego antybiotyku w realistycznych warunkach fizjologicznych pozostaje poważnym wyzwaniem. W organizmie człowieka na działanie leku mogą wpływać między innymi lokalne stężenie antybiotyku, gęstość populacji bakterii, warunki panujące w miejscu zakażenia oraz różnice biologiczne pomiędzy szczepami.

Przedstawione doświadczenia przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych i dotyczyły dwóch szczepów E. coli. Wyników nie należy zatem automatycznie odnosić do wszystkich bakterii, antybiotyków i zakażeń. Badanie dostarcza jednak ważnych informacji o tym, jak działania pojedynczych komórek – także tych obumierających – mogą zmieniać wrażliwość całej populacji na leczenie przeciwbakteryjne.

Lepsze poznanie wzajemnego udziału wewnątrzkomórkowego i zewnątrzkomórkowego rozkładu antybiotyków może w przyszłości pomóc w przewidywaniu odpowiedzi poszczególnych szczepów na antybiotyki oraz inhibitory beta-laktamaz. Autorzy zamierzają kontynuować badania nad skutecznością leków w warunkach bardziej zbliżonych do tych, które występują w organizmie podczas zakażenia.

Źródło: Proceedings of the National Academy of Sciences, „Contributions of intra- and extracellular antibiotic degradation to collective β-lactam survival”.
DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2526410123