15.2: Wybór antybiotyków

Przegląd

Naukowcy wykorzystują geny oporności na antybiotyki do identyfikacji bakterii, które posiadają plazmid zawierający interesujący je gen. Oporność na antybiotyki występuje naturalnie, gdy spontaniczna mutacja DNA powoduje zmiany w genach bakteryjnych, które eliminują aktywność antybiotyków. Bakterie mogą dzielić te nowe geny odporności ze swoim potomstwem i innymi bakteriami. Nadużywanie i niewłaściwe stosowanie antybiotyków spowodowało kryzys zdrowia publicznego, ponieważ nadal rozwijają się bakterie oporne i wielooporne.

Oporność na antybiotyki jest podstawowym narzędziem w inżynierii genetycznej

Antybiotyki, takie jak penicylina, to leki, które zabijają lub zatrzymują rozwój bakterii. Bakterie, które naturalnie lub sztucznie nabyły geny oporności na antybiotyki, nie reagują na antybiotyki. Naukowcy wykorzystują to, projektując plazmidy – małe, samoreplikujące się fragmenty DNA – które przenoszą 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 DNA będące przedmiotem zainteresowania.

DNA badanego badacza jest wprowadzane do komórek bakteryjnych w procesie zwanym transformacją. Transformacja bakteryjna polega na tymczasowym tworzeniu małych otworów w ścianie komórkowej bakterii, aby umożliwić wychwyt zewnętrznego DNA, takiego jak plazmid. Tylko niektóre komórki bakteryjne wchłaniają nowe DNA. Ponieważ plazmid zawiera zarówno DNA będące przedmiotem zainteresowania, jak i gen, który nadaje oporność na określony antybiotyk, zastosowanie antybiotyku do komórek bakteryjnych (tj. selekcja antybiotyków) może pomóc w ustaleniu, które komórki zostały zmodyfikowane genetycznie.

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 doborze antybiotyków badacz będzie dalej testował bakterie przy użyciu innych metod (np. PCR), aby potwierdzić, że DNA będące przedmiotem zainteresowania jest prawidłowe. Często występują błędy, takie jak to, że plazmid w ogóle nie zawiera interesującego genu.

Bakterie mogą naturalnie nabywać oporność na antybiotyki

Bakterie mogą nabyć oporność na antybiotyki poprzez spontaniczne mutacje DNA, które zmieniają białka wytwarzane przez komórkę. Oporne bakterie mogą wytwarzać białka, które powodują degradację antybiotyku, wypompowywanie go z komórki lub uniemożliwianie interakcji z celem. Na przykład antybiotyk wankomycyna hamuje syntezę ściany komórkowej bakterii. Niektóre bakterie rozwinęły oporność na ten antybiotyk poprzez zmianę typów podjednostek białkowych – aminokwasów – używanych do tworzenia ich 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 horyzontalnym 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 – które są wymieniane podczas HGT. W rezultacie nowe rodzaje oporności na antybiotyki mogą szybko rozprzestrzenić się na wiele rodzajów bakterii zakaźnych.

Kliniczne nadużywanie i niewłaściwe stosowanie antybiotyków prowadzi do “superbakterii”

Antybiotyki są kluczowym sposobem leczenia infekcji bakteryjnych. Jednak ich stosowanie może spowodować, że bakterie staną się oporne i sprawią, że antybiotyk stanie się nieskuteczny, co prowadzi 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 wrażliwe bakterie i pozostawiają tylko oporne osobniki. Bakterie, które przeżyły, dzielą się szybko, produkując potomstwo o takiej samej oporności na antybiotyki. Kiedy antybiotyki są nadużywane, ta presja selekcyjna powoduje szybki wzrost liczby opornych bakterii w populacji. Jest to poważny problem zdrowia publicznego, ponieważ zwiększa oporność na antybiotyki i tworzy “superbakterie”, które są oporne na wiele antybiotyków. Ciągłe nadużywanie i niewłaściwe stosowanie antybiotyków może ostatecznie wyczerpać możliwości leczenia infekcji bakteryjnych.