Bakterie odporne na wiele antybiotyków, znane jako „superbakterie”, stanowią ogromne wyzwanie dla współczesnej medycyny. Naukowcy z B CUBE – Centrum Bioinżynierii Molekularnej na Uniwersytecie Technicznym w Dreźnie oraz Instytutu Pasteura w Paryżu zidentyfikowali kluczową słabość w mechanizmie bakteryjnym, który odpowiada za adaptację do antybiotyków. Wyniki ich badań, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Science Advances”, mogą przyczynić się do zwiększenia skuteczności już istniejących antybiotyków.
Nowa era antybiotyków i odwieczna rywalizacja
Od momentu odkrycia penicyliny w 1928 roku antybiotyki zrewolucjonizowały medycynę, umożliwiając skuteczne leczenie infekcji bakteryjnych. Jednak pojawienie się antybiotyków zapoczątkowało również nieustanny wyścig zbrojeń pomiędzy człowiekiem a bakteriami. Te mikroorganizmy potrafią szybko przystosowywać się do stosowanych leków, unieszkodliwiając ich działanie. „Superbakterie” stanowią szczególne zagrożenie dla osób z osłabionym układem odpornościowym i pacjentów z chorobami przewlekłymi.
„Zamiast skupiać się na opracowywaniu nowych antybiotyków, chcieliśmy dokładnie zrozumieć, w jaki sposób bakterie adaptują swoją odporność” – mówi prof. Michael Schlierf, kierownik badań z TU Drezno.
Trudności w zwalczaniu superbakterii wynikają z faktu, że niektóre bakterie rozwijają oporność na antybiotyki bardzo szybko, podczas gdy inne potrzebują na to znacznie więcej czasu. Badania zespołu Schlierfa i Mazela rzucają nowe światło na ten proces, otwierając perspektywy opracowania skuteczniejszych strategii przeciwdziałania.
Genetyczna „skrzynka narzędziowa” w walce o przetrwanie
Badania skupiły się na systemie integronów – swoistej „skrzynce narzędziowej” bakterii. Ten mechanizm pozwala mikroorganizmom wymieniać geny, w tym również te odpowiadające za oporność na antybiotyki. „System integronów działa na zasadzie molekularnego mechanizmu 'wytnij-wklej’, prowadzonego przez specjalne białka zwane rekombinazami” – wyjaśnia prof. Didier Mazel z Instytutu Pasteura.
Integrony umożliwiają przechowywanie i przekazywanie genów oporności zarówno kolejnym pokoleniom bakterii, jak i sąsiednim komórkom. Kluczową rolę odgrywają tutaj specyficzne fragmenty DNA przypominające małe spinacze w kształcie litery „U”, zwane spinkami DNA. Rekombinazy wiążą się z tymi strukturami, umożliwiając wymianę informacji genetycznych między odcinkami DNA.
Badacze z TU Drezno wykorzystali nowoczesną technologię mikroskopii do analizy siły wiązania rekombinaz z różnymi sekwencjami DNA. Odkryto, że te kompleksy, w których wiązanie jest najsilniejsze, okazują się najbardziej skuteczne w szybkim zdobywaniu genów oporności.
Fizyka w służbie biologii
Korzystając z techniki zwanej optycznymi pincetami, naukowcy mierzyli siłę potrzebną do rozerwania kompleksów białkowo-DNA. „Optyczne pincety to zaawansowana technologia, która pozwala 'chwycić’ pojedynczą nić DNA za pomocą światła i delikatnie ją rozciągać. Można to porównać do naprężania sznurka w celu rozplątania węzła” – wyjaśnia dr Ekaterina Vorobevskaia, jedna z autorek badań.
Wyniki doświadczeń pokazały, że im silniejsze jest wiązanie pomiędzy białkiem a DNA, tym efektywniej przebiega proces „wytnij-wklej”. Silne kompleksy są w stanie szybko i precyzyjnie wymieniać fragmenty DNA, umożliwiając bakteriom błyskawiczne zdobycie nowych genów oporności. Z kolei słabiej wiążące się kompleksy często rozpadają się, co spowalnia proces adaptacji bakterii.
Wykorzystanie słabości
„System integronów był badany przez mikrobiologów przez dziesięciolecia. Nasze podejście polegało na dostarczeniu danych biofizycznych, które wyjaśniają zachowanie tego systemu za pomocą praw fizyki” – podkreśla prof. Schlierf. „Być może podatność na działanie siły jest ogólniejszym zjawiskiem wpływającym na różną efektywność procesów biologicznych” – dodaje.
Naukowcy są przekonani, że odkryta słabość systemu integronów może być wykorzystana do opracowania terapii wspierających działanie antybiotyków. Dzięki ingerencji w niestabilne kompleksy DNA-białko, można by spowolnić tempo adaptacji bakterii, dając lekom cenną przewagę czasową w walce z infekcją.
Współpraca interdyscyplinarna biologów i fizyków otwiera nowe ścieżki w poszukiwaniu rozwiązań problemu oporności bakterii na antybiotyki. Choć wyścig z mikroorganizmami trwa, odkrycia te pokazują, że ludzie mają jeszcze wiele asów w rękawie, by skuteczniej walczyć z zagrożeniem ze strony superbakterii.
