Odkrycie roli genów SOS w przeżywalności Escherichia coli podczas leczenia antybiotykami

Kiedy E. coli wykryje uszkodzenie swojego materiału genetycznego, wysyła sygnał alarmowy, który zmienia aktywność komórek.

„Bakterie przechodzą w pełny tryb awaryjny” – mówi doktorantka Olog Elisabeth Torheim Bergum z Norweskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii (NTNU).

Wyobraź sobie, że masz silny ból gardła. Jesteś chory, boli Cię gardło, a wizyta u lekarza potwierdza, że ​​ból jest spowodowany infekcją bakteryjną. Dostajesz receptę na antybiotyki, które szybko leczą ból gardła. Cieszysz się, że leczenie zadziałało, ale jak bakterie poradziły sobie z tą sytuacją?

Leczenie antybiotykami szkodzi bakteriom. „To uszkodzenie może przybierać formę wielu różnych rzeczy, ale często wiąże się z uszkodzeniem materiału genetycznego, DNA i aktywacją reakcji SOS u bakterii”.

Olog Elizabeth Torheim Bergum, Katedra Medycyny Klinicznej i Molekularnej, NTNU

Badałem działanie bakterii chorobotwórczych Escherichia coli Reaguje pod wpływem małych, nieśmiercionośnych ilości antybiotyku cyprofloksacyny.

Cyprofloksacyna jest obecnie jednym z najczęściej stosowanych antybiotyków na świecie, którego działanie polega na atakowaniu DNA komórek bakteryjnych.

„Wiąże się z białkiem, które pomaga w utrzymaniu prawidłowej struktury DNA poprzez przecinanie i łączenie nici DNA. Jest to konieczne, ponieważ kopiowanie i odczytywanie DNA powoduje stres w cząsteczce DNA” – wyjaśnia Bergum.

Wstępne naprawy

Innymi słowy, białko utrzymuje porządek nici DNA, podczas gdy komórka bakteryjna nadal pełni swoje funkcje. Kiedy bakterie mają się podzielić, zapewniają bezpieczną i uporządkowaną replikację DNA. Jednakże, gdy antybiotyk wiąże się z białkiem, funkcja ta zostaje zahamowana i sytuacja staje się nieco skomplikowana.

Wiele typowych czynności bakterii, takich jak rozmnażanie, zostaje zawieszonych. Znajduje to odzwierciedlenie w zmianie kształtu bakterii.

„DNA ulega następnie uszkodzeniu, w tym tworzeniu się w komórce pojedynczych nici niekompletnego DNA” – mówi Bergum.

Kiedy tworzą się te pojedyncze włókna, przypomina to zapalenie zapałki pod czujnikiem dymu. Inne białka wykrywają uszkodzone fragmenty DNA i włącza się alarm. To dramatyczna sytuacja dla komórek bakteryjnych, co widać także gołym okiem.

„Wszystko zależy od pomp. Wiele powszechnych czynności bakterii, takich jak rozmnażanie, zostaje wstrzymanych. Zwykle znajduje to odzwierciedlenie w zmianie kształtu bakterii. bakterie coli Bakterie mają kształt pręcika, ale pod wpływem cyprofloksacyny stają się długimi nitkami. „Bakterie traktują priorytetowo naprawę uszkodzeń”.

Jeśli nie uda im się bezbłędnie naprawić szkody, przejdą do następnego kroku.

„Jeśli naprawy okażą się nieskuteczne, ostatecznością jest zmiana DNA” – mówi Bergum. „Następuje wtedy mutacja. Ta reakcja pomaga bakteriom przystosować się i uodpornić na antybiotyki”.

Rozwijaj odporność

Zwykle podaje się cykl antybiotyków w tak dużych dawkach, że uszkodzenia DNA są zbyt duże, aby je naprawić. Jednakże na Wydziale Medycyny Klinicznej i Molekularnej NTNU badacze chcą dowiedzieć się, co się stanie, gdy bakterie faktycznie wygrają walkę z antybiotykiem poprzez swoją reakcję SOS.

Aby zwalczyć oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe, ważne jest, aby dokładnie wiedzieć, w jaki sposób zachodzą naprawy i mutacje. Dlatego Pergham i jej współpracownicy postanowili przyjrzeć się, w jaki sposób aktywowane są „geny SOS” oraz w jaki sposób bakterie wykorzystują białka i małe cząsteczki do naprawy uszkodzeń spowodowanych przez antybiotyk.

„Kiedy zostaje uruchomiony bodziec, w komórce aktywowanych jest 60 różnych genów. Wcześniej sądzono, że geny są aktywowane w różnym czasie, co oznacza, że ​​najpierw aktywowane są geny wykorzystywane do produkcji białek potrzebnych w początkowej fazie prac naprawczych, a następnie następnie są aktywowane później.” Aktywowany jest następny zestaw genów.”

Jednak naukowcy z NTNU odkryli, że wszystkie geny są aktywowane w tym samym czasie.

„Nie jest to regulowane na poziomie genów, jest to regulowane na poziomie białek i to jest nowa wiedza” – mówi Bergum.

„Nasze wyniki różnią się od wyników innych badań. Może to być spowodowane tym, że bakterie hodowaliśmy w bioreaktorze, w którym mamy pełną kontrolę nad warunkami wzrostu. Dzięki temu wyniki są łatwiejsze do odtworzenia”.

Przyczynianie się do nowych leków

Naukowcy wykorzystali metody umożliwiające pomiar aktywacji genów, białek i małych cząsteczek.

„To badanie jest pierwszym, w którym przyjrzymy się jednocześnie wszystkim trzem poziomom reakcji SOS. Przeprowadziliśmy również powtarzane pomiary od jednej minuty po ekspozycji bakterii na antybiotyki do dwóch godzin później. Zapewnia to dobre zrozumienie harmonogramu działania antybiotyków – mówi Bergum.

Można by wtedy pomyśleć, że zapobieganie rozwojowi oporności nie powinno stanowić problemu, gdyż wymaga jedynie zapewnienia odpowiednio dużej dawki antybiotyku. Zdaniem Berguma nie jest to jednak takie proste.

„Podczas leczenia infekcji nie wszystkie bakterie będą narażone na działanie antybiotyków w tym samym stopniu. Może to wynikać z tego, że wchłanianie jest różne w różnych tkankach, a niektóre bakterie są z natury bardziej oporne. Dlatego u niektórych bakterii może rozwinąć się oporność”.

Bakterie mogą również w naturze rozwinąć oporność.

Dowiadując się więcej o działaniu reakcji SOS, można opracować materiały atakujące te mechanizmy.

„W wodzie i ściekach znajduje się dużo antybiotyków, choć w małych dawkach” – mówi Bergum. „Dlatego ważne jest ograniczenie stosowania antybiotyków”.

Nowe spojrzenie na sposób działania reakcji SOS będzie przydatne przy opracowywaniu nowych leków.

„Świat potrzebuje nowych antybiotyków i większej wiedzy na temat mechanizmów oporności. Dowiadując się więcej o działaniu reakcji SOS, można będzie opracować substancje atakujące te mechanizmy, zwane inhibitorami, które można następnie podawać razem z antybiotykami, takimi jak cyprofloksacyna. Aby zapobiec rozwojowi oporności” – mówi Bergum.

Badanie było częścią projektu TAMIR (Targeting Antimicrobial Resistance by Inhibiting Bacterial Stress Responses), kierowanego przez profesor Marit Otterli z NTNU. Praca ta jest finansowana przez Narodowy Program Badawczy Fundacji Tronda Mohna w AMR i NTNU.