Резистентные к эритромицину бактерии оказались чувствительны к дефициту магния

Бактерии могут приобретать устойчивость к антибиотикам природного происхождения за счет спонтанно возникающих новых вариантов рибосом. Так, у сенной палочки Bacillus subtilis вариант рибосомы L22* (с мутацией в рибосомальном белке L22) обеспечивает устойчивость к эритромицину, связывая его вблизи сайта мутации. Однако такие варианты рибосом по какой-то причине не вытесняют рибосомы дикого типа (WT), а значит, в отсутствие антибиотиков невыгодны для бактерии.

Исследование, опубликованное в Science Advances, показало, что антибиотикорезистентные штаммы B. subtilis, несущие вариант рибосомы L22*, более чувствительны к снижению концентрации внеклеточного Mg²⁺, который необходим для нормального функционирования рибосом.

Культивируя L22* и WT штаммы B. subtilis при сублетальной дозе эритромицина и различных концентрациях Mg²⁺, ученые обнаружили, что при его концентрации выше 0,2 мМ доминирует устойчивый к антибиотику штамм L22*, но при более низких концентрациях магния, несмотря на присутствие антибиотика, преимущество имеет штамм дикого типа. Это свидетельствует о том, что конкуренция между WT и L22* не определяется исключительно давлением антибиотика, а зависит и от доступности Mg²⁺.

Ученые использовали рибопереключатель, чувствительный к уровню Mg²⁺, который позволяет клеткам экспрессировать магниевый транспортер MgtE только в случае его дефицита, и объединили с репортерным флуоресцентным белком YFP, чтобы отслеживать бактериальные клетки, испытывающие недостаток Mg²⁺. Оказалось, что B. subtilis штамма L22* испытывают дефицит Mg²⁺ при его пониженной концентрации в окружающей среде, в то время как штамм WT способен поддерживать уровень свободного Mg²⁺ в клетке даже в условиях его пониженной внеклеточной концентрации.

Масс-спектрометрический анализ рибосомальных белков не выявил уменьшения содержания рибосом в бактериальных клетках штамма L22*. Напротив, при всех протестированных внеклеточных концентрациях Mg²⁺ мутант L22* имел большее содержание рибосомальных субъединиц по сравнению с WT. Соответственно, неспособность L22* эффективно расти при низких концентрациях Mg²⁺ не связана с более низким содержанием рибосом.

С помощью эластичной сети — модели, которая используется для изучения динамики и структуры биомолекул, — ученые установили, что L22* рибосомы сильнее ассоциируют с Mg²⁺, чем рибосомы дикого типа. Объединив ранее полученные экспериментальные данные по содержанию свободного Mg²⁺ и результаты математического моделирования, ученые построили модель стационарного состояния внутриклеточного Mg²⁺, которая учитывает три его потенциальных состояния в клетке: свободный, связанный с рибосомами и связанный с АТФ. Согласно модели, при уменьшении внеклеточной концентрации Mg²⁺ в клетках штамма L22* сильнее снижается уровень активного АТФ по сравнению с WT. Впоследствии эти прогнозы подтвердились экспериментально — с помощью биолюминесцентного анализа, в котором активность люциферазы зависит от концентрации АТФ. Штамм L22* имеет более низкую активную концентрацию АТФ при низком уровне внеклеточного Mg²⁺. Уровень АТФ в штамме L22* снижался при уменьшении концентрации внеклеточного Mg²⁺ до 0,02 мМ, что соответствует ранее найденному пороговому значению, выше или ниже которого доминирование одного из штаммов сменяется другим.

Ученые заключили, что именно повышенная потребность в магнии рибосом L22* для поддержания ее нормальной функции является той эволюционной физиологической ценой, которую несущие ее бактериальные клетки вынуждены платить за устойчивость к антибиотикам, в частности, эритромицину, при этом становясь более чувствительными к концентрациям внеклеточного магния. В то же время рибосома WT позволяет клеткам поддерживать относительно стабильный уровень как свободного Mg²⁺, так и активного АТФ в широком диапазоне внеклеточных концентраций Mg²⁺, делая таких бактерий более устойчивыми к изменениям окружающей среды. Соответственно, необходимость приспособиться к изменившимся условиям окружающей среды (например, пониженной доступности внеклеточного Mg²⁺) может перевесить преимущества устойчивости к антибиотикам, которая обеспечивается отдельным вариантом рибосомы. Авторы надеются, что эти данные помогут выявить состояния, которые препятствуют развитию устойчивых к антибиотикам штаммов, уменьшив потребность в разработке новых антибиотиков, что очень актуально в связи с возрастающей актуальностью проблемы антибиотикорезистентности.

Клостридия жертвует патогенностью ради приобретения устойчивости к антибиотику