Мікроби гарні та не дуже. Здоров’я і виживання у світі бактерій - Джессіка Снайдер Сакс
Райт почав вивчати гени Streptomyces у середині 1990-х років з експрес-метою навчитися кількох нових хитрощів для розробки лікарських засобів. Зокрема, він та його докторант Крістофер Маршалл зосередилися на ділянці хромосоми, що належала бактерії Streptomyces toyocaensis, відомої своєю участю у виробництві тейкопланіну – антибіотика, близько спорідненого з ванкоміцином. Їхній аналіз породив каталог із кількох десятків генів, і в ньому був неочікуваний бонус – набір генів самозбереження, що захищали бактерії Streptomyces toyocaensis від їхньої власної отрути.
Райт розумів, чому мікроб перемішав ці гени резистентності з генетичними кресленнями свого апарата для виробництва отрут. У такий спосіб той міг ефективно координувати виробництво «антидоту» за потребою. Чого Райт не очікував, то це того, що кластер із п’яти генів резистентності, який вони з Маршаллом виділили з цього мікроба, здавався страхітливо знайомим. Будь-який мікробіолог, що працює з внутрішньолікарняними супермікробами на кшталт ванкоміцин-резистентного ентерококу, одразу ж упізнав би їх: один ген – для зрізання місця зв’язування з антибіотиком на грампозитивній клітинній стінці, ще два – для виготовлення стійкої до лікарських засобів запасної частини взамін видаленої ділянки стінки, остання пара регуляторних генів – для вмикання перших трьох у разі потреби, коли ванкоміцин або будь-який із його хімічних родичів з’явиться неподалік.
Райт і Маршалл скористались ДНК-зондами, щоб виловити такі самі гени резистентності серед інших бактерій групи стрептоміцетів. Вони виявили ці гени у Streptomyces orientalis, що виробляє ванкоміцин, а також у кількох інших штамів та видів, що виробляють хімічно споріднені антибіотики. «Це дало нам момент осяяння, – каже Райт. – Якби ми тільки провели цей експеримент п’ятнадцять років тому, коли ванкоміцин увійшов до широкого вжитку, то точно зрозуміли б, якого роду механізми резистентності слідом за препаратом потрапляють до наших медичних центрів та лікарень».
Зважаючи на всюдисущість стрептоміцетів у ґрунті, Райтові стало цікаво, що ще можна знайти в повній лопаті бруду. За його словами, наступний крок був до смішного простим як для вченого, оточеного обладнанням на багато мільйонів доларів, – він був «повністю зроблений тим, що використовувалось і сто років тому». Щоразу як Райт відвідував наукові конференції або просто ходив у похід по лісах із дітьми, він приносив звідти поліетиленовий пакет із застібкою, наповнений ґрунтом – чи з листяного лісу, чи з засипаного недопалками квітника біля конференц-центру. Після цього він доручав своїм студентам скринінг цих зразків на стрептоміцети й перевірку чутливості бактерій до прогону крізь стрій із двадцяти одного антибіотика різних видів. Відправляючи своїх студентів додому на канікули, Райт так само набивав їхні рюкзаки пластиковими пакетами з проханням привезти їх назад повними ґрунту. За наступні два роки їхня лабораторія зібрала справжню колекцію, де були суглинок прерій Саскачевану, глина задніх дворів Торонто, угноєний садовий ґрунт із берегів Ніаґари й уламок породи з Канадських Скелястих гір. Молодший брат Райта, поліцейський, що служив на кордоні між провінціями Онтаріо і Маніоба, навіть прислав йому зразок мерзлого ґрунту з північних територій. «Ми мали зразки бруду від Ванкувера до Галіфакса», – каже Райт.
Брудну лабораторну роботу з виділення ниткоподібних споротвірних стрептоміцетів із зібраного ґрунту провели студентки Ванесса Д’Коста та Кетрін Макґрен. Вони створили бібліотеку з майже п’ятисот штамів та видів, серед яких багато тих, що ніколи не виділялися раніше. Найбільше вражає, що всі ці організми виявилися стійкими, і не лише до їхніх власних специфічних антибіотиків, але й до багатьох інших. Без винятку, кожен із них міг перетравлювати, деактивувати, блокувати, видаляти або якимось іншим чином нейтралізувати багато антибіотиків. У середньому ці мікроби могли витримувати дію семи-восьми препаратів поодинці, а разом відбиватися від чотирнадцяти-п’ятнадцяти. Загалом дослідники зіткнулися зі стійкістю до всіх антибіотиків із двадцяти одного, які вони перевіряли, – набору, що містив і давні стандарти, такі як тетрациклін та еритроміцин, і перспективні нові потужні препарати, як-от руйнівний для ВРЕ синерцид та вороги МРЗС тигацил і кубіцин. Ще дивніше, що багато мікробів виявилися стійкими до повністю синтетичних препаратів, таких як ципрофлоксацин та розрекламовані нові диво-препарати кетек і зивокс – хімічні речовини, не схожі ні на що, з чим організми будь-коли стикались у природі.
2006 року Райт опублікував результати роботи його команди у відомому науковому журналі Science під заголовком «Вибіркове дослідження антибіотичної резистоми». Хоча багато вчених висловили подив, що бактерії здатні нейтралізувати понад десяток синтетичних та напівсинтетичних препаратів, Райт каже, що приблизно цього й очікував. «Стійким до антибіотиків можна стати багатьма способами, і багато з них зазвичай бувають неспецифічними. Відкачувальні насоси, наприклад, вичерпуватимуть із клітини більшу частину бруду». Особливо цікаво, що команда Райта зіткнулася з кількома раніше невідомими механізмами стійкості. Понад половина бактерій створювали новітній фермент, що руйнував як синерцид, так і рифадин, який є основним засобом у лікуванні туберкульозу. Інші нейтралізували кетек, використовуючи ніколи раніше не бачений трюк прикріплення молекули цукру до хімічного скелета препарату для блокування його антибактеріальної дії.
Цей звіт викликав появу яскравих заголовків («У ґрунті повно супермікробів!») та заламування рук. Забудьте про обачне використання антибіотиків – чи не приносимо ми всі чинники стійкості до лікарських засобів у свої домівки та лікарні на підошвах взуття? Райт дійшов висновку, що нічого подібного. «Ці гени точно не перестрибують безпосередньо від стрептоміцетів до хвороботворних бактерій», – пояснює він. Для початку організми, що виробляють антибіотики, на кшталт стрептоміцетів, тримають ці гени «запобігання самогубству» надійно вбудованими у свою головну хромосому. Перш ніж вони зможуть стати частиною мережі обміну генами бактеріального царства, ці гени мають перепакуватися в мобільні елементи, такі як плазміди й транспозони. По-друге, хоча гени резистентності, які Райт виявив у мікробів бруду, майже збігаються з багатьма, виявленими в інфекційних бактерій, тонкі відмінності в написанні ДНК цих генів сказали йому, що на їхньому шляху від однієї групи до іншої вони передавалися через посередників.
Як у грі в зіпсований телефон, щоразу як ген передається між мікробами, з’являються тонкі відмінності, що відображують «діалект» ДНК його нового господаря. Зокрема, ДНК будь-якого організму – від бактерії до слона – має характерний «уміст ГЦ», пропорцію літер, що представляють нуклеотиди гуанін та цитозин (які разом з аденіном і тиміном складають увесь алфавіт ДНК). Як група стрептоміцети мають один із найвищих умістів ГЦ у світі бактерій. Гуанін та цитозин складають у ДНК стрептоміцетів понад 70 % нуклеотидів, включно з їхніми генами резистентності.
Натомість коли ті самі гени з’являються в інфекційних бактерій, таких як ентерококи або стафілококи, вони мають уміст ГЦ, ближчий до 50 %. Це все одно вище, ніж у «корінних» генів цих хвороботворних організмів. Стафілококи та ентерококи мають уміст ГЦ на рівні приблизно 37 %. Отже, можна говорити, що ці гени провели певний час у проміжних організмах, причому їхній уміст ГЦ поступово
