Устойчивость бактерий к антибиотикам может объясняться наличием мутантных вариантов рибосом — основных мишеней многих антибиотиков. Однако такие рибосомы полностью никогда не вытесняют рибосомы дикого типа, что говорит о связанных с ними невыгодных чертах. Авторы исследования в Science Advances показали, что ценой антибиотикорезистентности может быть повышенная чувствительность к низким внеклеточным концентрациям магния.
Credit:
123rf.com
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.
Источник
Eun Chae Moon et al., Physiological cost of antibiotic resistance: Insights from a ribosome variant in bacteria. // Sci. Adv. 10, eadq5249 (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adq5249