Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

У E. coli много способов борьбы с антибиотиками. Так, Флори и Чейн обнаружили, что в ее арсенале имеются секретные ферменты, способные резать пенициллин на безвредные фрагменты. В других случаях белковые молекулы E. coli изменяют форму, так что антибиотикам становится трудно связываться с ними. Бывает и так, что E. coli при помощи особых насосов избавляется от антибиотиков, выбрасывает их из себя. Для каждого волшебного снаряда, который наука припасла для E. coli, бактерия придумала не менее волшебную броню.

Лягушачья кожа

E. coli приобрела резистентность к антибиотикам практически полностью в «дикой природе», вне поля зрения ученых. Это происходило не в лабораторных колбах, где исследователи могут отслеживать каждую мутацию от поколения к поколению. Ее колбой был весь огромный мир.

Данных, которые ученым удалось собрать, достаточно, чтобы восстановить по крайней мере часть этой истории. Гены, которые сегодня обеспечивают E. coli резистентность к антибиотикам, вовсе не появились из ниоткуда в 1950–е гг. Они происходят от генов, у которых прежде были другие функции. Некоторые из насосов, предназначенных для удаления молекул антибиотика из E. coli, вероятно, развились из насосов, при помощи которых бактерии прежде выпускали наружу сигнальные молекулы. Другие насосы ранее выводили соли желчных кислот, с которыми E. coli встречается в человеческом кишечнике.

Когда бактерии впервые столкнулись с антибиотиками, их насосы, вероятно, плохо справлялись с задачей выведения этих новых странных молекул. Но иногда — очень редко, конечно — гены, отвечающие за строительство насосов, мутировали. Мутантная бактерия была способна выкачивать антибиотики чуть быстрее, чем остальные. До появления современной медицины такие мутанты, по существу, не имели никаких репродуктивных преимуществ по сравнению с остальными особями. Более того, эти мутации могли быть попросту вредными для их носителя. Но как только столкновения бактерий с антибиотиками стали регулярными, мутанты получили неоспоримое эволюционное преимущество.

Поначалу это преимущество было крохотным. После дозы антибиотика могли уцелеть лишь несколько резистентных особей — но это все же лучше, чем полная гибель. Со временем в популяциях E. coli такие мутанты стали встречаться чаще. Их потомки подвергались новым мутациям и становились еще более резистентными. В 1986 г. ученые обнаружили штаммы E. coli, синтезирующие фермент, способный разрушать молекулы целой группы антибиотиков — аминогликозидов. В 2003 г. другая группа ученых обнаружила E. coli с новым вариантом того же гена. Две новые мутации гена обеспечили его носителю резистентность не только к аминогликозидам, но и к совершенно другому антибиотику — ципрофлоксацину.

Даже в организме одного и того же человека E. coli может эволюционировать, принимая опасные формы. В августе 1990 г. в больницу Атланты поступила 19–месячная девочка с лихорадкой. Врачи выяснили, что ее кровь заражена E. coli, которая проникла туда, вероятно, через изъязвление в желудочно — кишечном тракте. Анализы выявили, что бактерия уже устойчива к двум распространенным антибиотикам — ампициллину и цефалоспорину. Врачи начали давать маленькой пациентке другие антибиотики, все более мощные, но лечение не помогало: антибиотики не только не уничтожали E. coli, но, казалось, делали ее сильнее. Бактерия обзаводилась все новыми генами резистентности, а те, что у нее уже были, продолжали развиваться. После пяти месяцев борьбы за жизнь и десяти различных антибиотиков ребенок умер.

Ужасные неудачи, подобные описанной, заставляют ученых мечтать о создании новых антибиотиков, перед которыми эволюция резистентности окажется бессильна. Подобно Флемингу, они находят многообещающих кандидатов на эту роль в самых неожиданных местах. Одна особенно перспективная с этой точки зрения группа химических веществ была обнаружена в 1987 г. в коже лягушки.

Научный сотрудник Национального института здоровья США Майкл Заслофф обратил внимание на то, что лягушки, изучением которых он в то время занимался, удивительно устойчивы к инфекции. Вообще-то на материале лягушачьей икры Заслофф пытался разобраться, каким образом в клетках происходит передача генетической информации от гена к белку. Он вскрывал африканских шпорцевых лягушек, извлекал икру, а затем вновь зашивал. Иногда вода в аквариуме успевала помутнеть и испортиться, но лягушки — даже со свежими ранами — ничем не заражались.