15.2: Выбор антибиотиков

Обзор

Исследователи используют гены устойчивости к антибиотикам для выявления бактерий, обладающих плазмидой, содержащей интересующий их ген. Устойчивость к антибиотикам естественным образом возникает, когда спонтанная мутация ДНК создает изменения в бактериальных генах, которые устраняют активность антибиотиков. Бактерии могут делиться этими новыми генами резистентности со своим потомством и другими бактериями. Чрезмерное использование и неправильное использование антибиотиков привело к кризису общественного здравоохранения, поскольку устойчивые и мультирезистентные бактерии продолжают развиваться.

Устойчивость к антибиотикам является важным инструментом в генной инженерии

Антибиотики, например пенициллин, - это препараты, убивающие или останавливающие рост бактерий. Бактерии, у которых естественным или искусственным образом получены гены устойчивости к антибиотикам, не реагируют на антибиотики. Ученые используют это, создавая плазмиды - небольшие самовоспроизводящиеся части ДНК, которые несут как ген устойчивости к антибиотикам, так и интересующий ген. Устойчивость к антибиотикам - неотъемлемая часть клонирования ДНК, которая позволяет исследователю идентифицировать клетки, которые поглотили интересующую ДНК.

ДНК интересующего исследователя вводится в бактериальные клетки с помощью процесса, называемого трансформацией. Бактериальная трансформация включает временное создание небольших отверстий в стенке бактериальной клетки, чтобы позволить поглощение внешней ДНК, такой как плазмида. Только некоторые бактериальные клетки поглощают новую ДНК. Поскольку плазмида включает как интересующую ДНК, так и ген, придающий устойчивость к определенному антибиотику, нанесение антибиотика на бактериальные клетки (т. е. отбор антибиотика) может помочь определить, какие клетки были генетически модифицированы.

Исследователь переносит бактериальные клетки на культуральную пластину, содержащую выбранный антибиотик. Только бактерии, содержащие ген устойчивости к антибиотикам, выживают и растут на планшете. Через несколько дней исследователь может выбрать бактериальную колонию для культивирования для дальнейших экспериментов, таких как исследования экспрессии генов. После выбора антибиотика исследователь будет дополнительно тестировать бактерии, используя другие методы (например, ПЦР), чтобы подтвердить правильность интересующей ДНК. Часто возникают ошибки, например, плазмида вообще не содержит интересующий ген.

Бактерии естественным образом приобретают устойчивость к антибиотикам

Бактерии могут приобрести устойчивость к антибиотикам через спонтанные мутации ДНК, которые изменяют белки, вырабатываемые клеткой. Устойчивые бактерии могут производить белки, которые вызывают антибиотик либо деградировать, выкачивается из клетки, или предотвратить взаимодействие со своей целью. Например, антибиотик ванкомицин подавляет синтез стенки бактериальных клеток. Некоторые бактерии разработали устойчивость к этому антибиотику, изменив типы белковых субъединитов -аминокислот, используемых в сборке их клеточной стенки на те, которые не затронуты ванкомицином.

Как только гены устойчивости к антибиотикам появляются, бактерии могут передавать их потомству. Бактерии могут также приобретать гены устойчивости к антибиотикам у других бактерий одного и того же или различных видов в рамках процесса, называемого горизонтальной передачей генов (HGT). Существует три механизма HGT: трансформация, спряжение и трансдукция. Гены устойчивости к антибиотикам часто встречаются в плазмидах или транспозонах – фрагментах ДНК, которые легко передаются между бактериями, которые обмениваются во время HGT. В результате, новые виды устойчивости к антибиотикам могут быстро распространиться на несколько типов инфекционных бактерий.

Злоупотребление или неправильное использование антибиотиков создаёт "Супербактерии"

Антибиотики являются важнейшим методом лечения бактериальных инфекций. Однако их использование может привести к тому, что бактерии станут устойчивыми и сделают антибиотик неэффективным, что приведет к неизлечимым и потенциально смертельным инфекциям. Чрезмерное использование и неправильное использование антибиотиков, например, использование антибиотиков для лечения вирусных (а не бактериальных) инфекций или для увеличения роста поголовья скота, является проблематичным, поскольку способствует устойчивости.

Антибиотики вызывают устойчивость бактерий, потому что они убивают восприимчивые бактерии и оставляют только самых сильных и устойчивых. Выжившие бактерии быстро делятся, производя потомство с той же устойчивостью к антибиотикам. Когда антибиотики используются чрезмерно, этот отбор вызывает быстрый рост числа устойчивых бактерий в популяции. Это является серьезной проблемой общественного здравоохранения, поскольку она повышает устойчивость к антибиотикам и создает "супербактерии", которые устойчивы к множественным антибиотикам. Продолжение чрезмерного использования и неправильного использования антибиотиков может в конечном итоге исчерпать варианты лечения бактериальных инфекций.

Набор антибиотиков обычно используется, чтобы гарантировать, что бактериальная колония содержит плазмид с несколькими ключевыми функциями:ген резистентности к антибиотикам и интересующий ген, который исследователь хочет экспрессировать. Чтобы бактерии усвоили плазмид, оба должны быть инкубированы вместе, а затем быть подвергнуты тепловому удару для содействия инкорпорации. Не каждая бактерия успешно усвоит копию плазмида.

И, поскольку, цель заключается в изоляции бактерии, обладающие копией, исследователи добавляют некоторую часть бактериальной культуры на блюдо с антибиотиком. Только те бактерии, которые усвоили плазмид, который содержит ген сопротивляемости, могут деградировать антибиотик и расти на блюде. В течение следующих нескольких дней единственная бактерия сформирует колонии, которые затем могут быть выбраны для дальнейшей работы.