Исследование генома обнаружило адаптации, сделавшие безвредную бактерию патогенной

Enterococcus faecalis — молочнокислая грамположительная бактерия, повсеместно встречающаяся в составе микрофлоры человека. Однако именно эта бактерия стала одним из главных возбудителей больничных инфекций в эпоху антибиотиков — устойчивость к ним позволяет больничным штаммам колонизировать опустошенный кишечник, а затем проникать в кровь и размножаться. С 1984 по 1988 год в госпитале Университета Висконсина произошла одна из первых вспышек энтерококковой инфекции. Используя образцы бактерий, полученные в этот период, исследователи проследили последовательность генетических изменений, которые привели к возникновению заразных штаммов обычно безвредной бактерии: как она адаптировалась к существованию в кровотоке человека.

Для сравнительного анализа геномов было взято 62 образца устойчивых к антибиотикам Enterococcus faecalis у заболевших во время вспышки пациентов, а также 27 не связанных со вспышкой образцов, взятых непосредственно перед вспышкой или во время нее. Выяснилось, например, что у энтерококков, изолированных во время эпидемии, геном на 10% больше из-за насыщенности мобильными генетическими элементами, а защитная система CRISPR-Cas отсутствует. Из 324 генов, которые присутствовали преимущественно в образцах, изолированных во время вспышки, многие были ассоциированы с устойчивостью к антибиотикам, вирулентностью, а также профагами и мобильными генетическими элементами. Кроме того, эти штаммы были более устойчивыми к средствам дезинфекции и кислой среде.

Всего было найдено 15 вариантов энтерококков, которые обосабливались все более четко с течением времени. Разнообразие вариантов, полученных от одного пациента, в некоторых случаях позволяет предположить, что они появились еще в микрофлоре кишечника, а не в крови. С другой стороны, повторные независимые мутации в относительно небольшом наборе генов указывали на отбор в человеческом организме в течение инфекции, в ответ на такие нагрузки, как иммунитет хозяина и лечение антибиотиками.

Из 285 обнаруженных мутаций некоторые, присутствовавшие в нескольких штаммах, исследовались особо. Так, оперон cydABDC, отвечающий за дыхание в присутствии гема, был выключен в 6 вариантах, так как он позволяет нейтрофилам лучше убивать эти бактерии, — важная адаптация для живущих в крови микроорганизмов.

Чаще всего мутировал ген регулятора транскрипции gntR. Эти мутации привели к изменениям в работе нескольких ферментов, задействованных в синтезе полисахаридов. Проведя несколько экспериментов, ученые установили, что мутации в gntR повышают выживаемость и максимальную концентрацию бактерий в крови. Непосредственным эффектом мутации оказалось изменение состава полисахаридного слоя оболочки бактерии и изменение структуры липотейхоевой кислоты. Это позволило мутантам лучше переносить обработку веществами, нарушающими структуру клеточную стенку, такими как лизоцим и антибиотик ампициллин.

Однако мутанты по гену gntR исчезли в 1987 году. На их место пришли энтерококки с мутацией, впятеро увеличивающей экспрессию гена pbp4. Этот ген кодирует транспептидазу, увеличивающую устойчивость к многим антибиотикам, но сильнее всего к имипенему — первому антибиотику группы карбапенемов, введенному в употребление в том же 1987 году. Это наряду с несколькими другим опытами прямо показывает, что именно имипенем привел к вымиранию старых штаммов и их замене штаммами, устойчивыми к новому антибиотику.

Таким образом, исследователям удалось проследить эволюцию бактерий в течение многих лет в условиях меняющихся способов борьбы с ними. Возможно, это поможет в разработке методов сдерживания и борьбы с лабораторными штаммами.