Wybór antybiotyku

Przegląd

Naukowcy wykorzystują geny oporności na antybiotyki, aby zidentyfikować bakterie posiadające plazmid zawierający ich gen będący przedmiotem zainteresowania. Oporność na antybiotyki pojawia się naturalnie, gdy spontaniczna mutacja DNA powoduje zmiany w genach bakterii, które eliminują działanie antybiotyków. Bakterie mogą dzielić się tymi nowymi genami oporności ze swoim potomstwem i innymi bakteriami. Nadużywanie i niewłaściwe stosowanie antybiotyków spowodowało kryzys zdrowia publicznego, ponieważ stale rozwijają się oporne i wielooporne bakterie.

Oporność na antybiotyki jest niezbędnym narzędziem w inżynierii genetycznej

Antybiotyki, takie jak penicylina, to leki zabijające lub zatrzymujące rozwój bakterii. Bakterie posiadające naturalnie lub sztucznie nabyte geny oporności na antybiotyki nie reagują na antybiotyki. Naukowcy wykorzystują to, projektując plazmidy — małe, samoreplikujące się fragmenty DNA — które niosą zarówno gen oporności na antybiotyki, jak i gen będący przedmiotem zainteresowania. Oporność na antybiotyki jest integralną częścią klonowania DNA, która pozwala badaczowi zidentyfikować komórki, które wchłonęły dany DNA.

DNA interesującego badacza wprowadza się do komórek bakteryjnych w procesie zwanym transformacją. Transformacja bakteryjna polega na tymczasowym utworzeniu małych dziur w ścianie komórkowej bakterii, aby umożliwić pobieranie zewnętrznego DNA, takiego jak plazmid. Tylko niektóre komórki bakteryjne absorbują nowe DNA. Ponieważ plazmid zawiera zarówno DNA będący przedmiotem zainteresowania, jak i gen nadający oporność na konkretny antybiotyk, zastosowanie antybiotyku do komórek bakteryjnych (tj. selekcja antybiotykowa) może pomóc w określeniu, które komórki zostały genetycznie zmodyfikowane.

Badacz rozprowadza komórki bakteryjne na płytce hodowlanej zawierającej wybrany antybiotyk. Tylko bakterie zawierające gen oporności na antybiotyki przeżywają i rosną na płytce. Po kilku dniach badacz może wybrać kolonię bakteryjną do hodowli do dalszych eksperymentów—takich jak badania ekspresji genów. Po wybraniu antybiotyku badacz będzie dalej testował bakterie innymi metodami (np. PCR), aby potwierdzić, że dany DNA jest prawidłowy. Często występują błędy, takie jak plazmid w ogóle nie zawierający interesującego genu.

Bakterie mogą w sposób naturalny nabywać oporność na antybiotyki

Bakterie mogą nabywać oporność na antybiotyki w wyniku spontanicznych mutacji DNA, które zmieniają białka wytwarzane przez komórkę. Oporne bakterie mogą wytwarzać białka, które powodują rozkład antybiotyku, wypompowywanie go z komórki lub uniemożliwianie mu interakcji z celem. Na przykład antybiotyk wankomycyna hamuje syntezę ściany komórkowej bakterii. Niektóre bakterie rozwinęły oporność na ten antybiotyk w wyniku zmiany rodzaju podjednostek białek — aminokwasów — wykorzystywanych w budowie ściany komórkowej na takie, na które wankomycyna nie ma wpływu.

Gdy pojawią się geny oporności na antybiotyki, bakterie mogą przekazać je swojemu potomstwu. Bakterie mogą również nabywać geny oporności na antybiotyki od innych bakterii tego samego lub innego gatunku w procesie zwanym poziomym transferem genów (HGT). Istnieją trzy mechanizmy HGT: transformacja, koniugacja i transdukcja. Geny oporności na antybiotyki często znajdują się w plazmidach lub transpozonach — fragmentach DNA, które łatwo przenoszą się między bakteriami — wymienianymi podczas HGT. W rezultacie nowe typy oporności na antybiotyki mogą szybko rozprzestrzeniać się na wiele typów bakterii zakaźnych.

Kliniczne nadużywanie i niewłaściwe stosowanie antybiotyków powoduje powstawanie “superbakterii“

Antybiotyki są kluczową metodą leczenia infekcji bakteryjnych. Jednak ich stosowanie może spowodować, że bakterie staną się oporne i sprawią, że antybiotyk stanie się nieskuteczny, co doprowadzi do nieuleczalnych i potencjalnie śmiertelnych infekcji. Nadużywanie i niewłaściwe stosowanie antybiotyków — na przykład stosowanie antybiotyków w leczeniu infekcji wirusowych (a nie bakteryjnych) lub w celu zwiększenia wzrostu zwierząt gospodarskich — jest problematyczne, ponieważ sprzyja oporności.

Antybiotyki powodują ewolucję oporności, ponieważ zabijają podatne bakterie i pozostawiają jedynie oporne osobniki. Bakterie, które przeżyły, dzielą się szybko, dając potomstwo z taką samą opornością na antybiotyki. W przypadku nadużywania antybiotyków presja selekcyjna powoduje szybki wzrost liczby opornych bakterii w populacji. Stanowi to poważny problem zdrowia publicznego, ponieważ zwiększa oporność na antybiotyki i powoduje powstawanie “superbakterii“, które są oporne na wiele antybiotyków. Ciągłe nadużywanie i niewłaściwe stosowanie antybiotyków może ostatecznie wyczerpać możliwości leczenia infekcji bakteryjnych.