Почвенные микроорганизмы как источник антибиотиков и механизмы формирования устойчивости к ним

Почвенная среда представляет собой сложную пищевую сеть, где организмы постоянно конкурируют за ресурсы. В процессе эволюции у них сформировались разнообразные стратегии нападения и защиты, включая биохимическую войну с использованием специфических химических соединений. Некоторые из этих природных веществ, будучи выделенными, демонстрируют мощные лечебные свойства для человека, главным образом в качестве антибиотиков (рис. 4.20). Это делает почву неисчерпаемым резервуаром для поиска новых лекарственных средств.

Рис. 4.20 демонстрирует историческую значимость антибиотиков пенициллинового ряда – первых эффективных препаратов против многих смертельных инфекций, хотя сегодня широко распространена устойчивость к ним.

Почва стала источником открытия основных классов антибиотиков. Классическим примером является пенициллин, продуцируемый грибом Penicillium chrysogenum. Аминогликозиды (стрептомицин, канамицин) и тетрациклины были получены из почвенных актиномицетов. Важная группа липопептидов, например даптомицин, также происходит из бактерий рода Streptomyces, относящихся к актиномицетам.

Антибиотики классифицируют по их воздействию на клетку-мишень. Бактерицидные препараты непосредственно убивают бактерии, в то время как бактериостатические подавляют их рост и размножение. Это различие принципиально влияет на клиническое применение и схемы терапии. Каждый класс нарушает специфический жизненно важный процесс в микробной клетке.

Механизм действия различных классов антибиотиков основан на избирательной токсичности. Бета-лактамы (пенициллин) ингибируют синтез клеточной стенки бактерий. Аминогликозиды и тетрациклины нарушают работу рибосом, блокируя синтез белка. Эффективность зависит от наличия у микроорганизма специфической мишени, на которую направлено действие препарата.

Устойчивость (резистентность) к антибиотикам – это естественное явление, глубоко укорененное в почвенной среде. Микроорганизмы здесь постоянно подвергаются воздействию природных антибиотиков, что создает мощное эволюционное давление. Оно отбирает особей, обладающих врожденными или приобретенными механизмами сопротивления, задолго до их клинического применения.

Продуценты антибиотиков, такие как Streptomyces, обязательно обладают собственными механизмами самозащиты (резистентности) от своих же метаболитов. Таким образом, почва является древним и обширным резервуаром генов устойчивости. Изучение этих природных систем дает ключевые идеи для разработки стратегий борьбы с клинической резистентностью.

Некоторые почвенные микроорганизмы демонстрируют удивительную адаптивность, используя антибиотики в качестве единственного источника углерода, то есть утилизируя их. Это подчеркивает, что человечество, применяя антибиотики, вторглось в давно существующую динамическую систему химических взаимодействий и коэволюции.

Резистентность возникает в результате селективного давления антибиотика на микробную популяцию. Особи, обладающие детерминантой устойчивости (вследствие мутации или приобретения генов), выживают и размножаются. Зафиксировавшись в одной бактерии, гены устойчивости могут быстро распространяться внутри сообщества и между видами через горизонтальный перенос генов (ГПГ).

Горизонтальный перенос генов осуществляется тремя основными механизмами. Трансформация – это поглощение клеткой свободных фрагментов ДНК из окружающей среды (например, из погибшей бактерии) и встраивание их в свой геном. Это позволяет приобретать новые признаки, включая устойчивость.

Второй механизм, трансдукция, осуществляется с помощью бактериофагов (вирусов бактерий). Фаг может ошибочно упаковать в свою частицу фрагмент бактериальной ДНК с геном устойчивости и перенести его в новую клетку-хозяина при последующем заражении, изменяя её генетический состав.

Третий ключевой процесс – конъюгация, часто называемая бактериальным «спариванием». При этом две бактерии образуют прямой физический контакт через пилус, по которому передаются мобильные генетические элементы, чаще всего плазмиды, несущие гены резистентности. Конъюгация эффективно переносит гены даже между неродственными видами.

Совместное действие трансформации, трансдукции и конъюгации означает, что новый механизм устойчивости, возникнув единожды, может быстро распространиться во всем микробном сообществе. Эта древняя сеть генетического обмена в почве объясняет, почему резистентность является глобальной естественной проблемой. Борьба с ней требует разумного применения антибиотиков в медицине и сельском хозяйстве, а также постоянных инноваций в разработке новых терапевтических стратегий.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Rebekka Artz, The Macaulay Land Use Research Institute, UK Dimos Anastasiou, Bio4met, Greece Dominique Arrouays, L’Institut National de la Recherche Agronomique, France Ana Catarina Bastos, Cranfield University, UK Anna Bendetti, Istituto Sperimentale per la Nutrizione delle Piante.

Источник: European Atlas of Soil Biodiversity.

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам биологических и экологических специальностей, почвоведам, экологам-практикам, а также всем, кто интересуется основами почвенного биоразнообразия и функционирования наземных экосистем.