Antibiootikumi eest kaitsev geen ei pruugi päästa isegi bakterit, kes seda kannab. Kui bakter vajab eluks naabrite toodetud toitaineid, võib nende hukkumine saada saatuslikuks ka talle endale. Saksamaa ja Itaalia teadlaste loodud laborikoosluses osutuski määravaks, kas resistentne bakter suudab oma geneetilist kaitset teistega jagada.
Kolmest kolibakteritüvest koosnenud süsteemis oli erinevus selge: ampitsilliini juuresolekul jäi kooslus püsima siis, kui resistentsust kandev DNA sai bakterite vahel liikuda. Kui selle ülekandumine oli takistatud, saabus hääbumine küll hiljem kui kaitsegeenita koosluses, kuid jäi lõpuks vältimatuks. Ühe liikme vastupanuvõimest ei piisanud kogu koosluse hoidmiseks.
Teadlased kirjeldavad TriCommiks nimetatud katsesüsteemi bioRxivis avaldatud eelretsenseerimata käsikirjas. See ei ole patsientidel katsetatud ravivõte, vaid laborimudel, millega uurida antibiootikumiresistentsuse leviku üht olulist küsimust: millal jõuab kaitsegeen abivajavate bakteriteni enne, kui ravimi toime koosluse lagundab?
Kaitstud bakter vajas kaitseta naabreid
TriCommi ehitamiseks muutsid uurijad kolme Escherichia coli ehk kolibakteri tüve pärilikkusainet. Neilt eemaldati geene, mida on vaja teatud aminohapete — valkude ehituskivide — tootmiseks. Piiratud toitainetega keskkonnas pidid bakterid seetõttu hankima puuduva naabritelt.
Selline korraldus seob ühe bakteri saatuse teiste omaga. Antibiootikum ei pea tingimata hävitama kõiki koosluse liikmeid otse: kui kaob hädavajaliku toitaine tootja, võivad hätta jääda ka need, kes ravimit ise taluvad.
Kavandatud vastastikune sõltuvus ei kujunenud siiski täielikuks. Ühe aminohappe tootmise takistus osutus osaliseks ning kaks tüve suutsid kasvada ka kolmandata. Kolmas tüvi vajas aga nende abi. Just sellesse sõltuvasse liikmesse viisid teadlased algul resistentsust kandvad plasmiidid — DNA-molekulid, mis võivad bakterite vahel üle kanduda.
Nii tekkis kõnekas katseolukord: antibiootikumi vastu kaitstud bakter sõltus toidu saamisel naabritest, kellel sama kaitset esialgu polnud.
Pelgalt naabrite aitamine andis ainult ajapikendust
Uurijad katsetasid kaht tüüpi resistentsusplasmiide, üht ampitsilliini ja teist kolistiini juuresolekul. Plasmiidi ülekandumist bakterite kokkupuutel nimetatakse konjugatsiooniks. Selle kaudu saab bakter omandada resistentsusgeeni teiselt bakterilt, ilma et peaks ootama kaitset andva mutatsiooni tekkimist oma pärilikkusaines.
Edasikanduvad plasmiidid aitasid kooslusel antibiootikumi sisaldavas keskkonnas üldjuhul püsida. Et kaitset kandev DNA tõepoolest teistesse tüvedesse jõudis, kinnitasid antibiootikumiga söötmel kasvanud kolooniad ja 17 üksikkoloonia genoomi sekveneerimine.
Kõige ilmekam võrdlus tuli ampitsilliinikatsest. Teadlased kasutasid seal ka plasmiidivarianti, mis andis kandjale resistentsuse, kuid ei suutnud teistesse bakteritesse üle kanduda. See pikendas koosluse püsimist võrreldes vastava resistentsusplasmiidita kooslusega, ent ei hoidnud hääbumist ära.
Autorite selgituse järgi võis resistentsete bakterite toodetud ensüüm lagundada ampitsilliini ning leevendada nõnda ajutiselt ka kaitseta naabrite olukorda. Ravimi kahjutustamine ümbruskonnas ja kaitsegeeni edasiandmine ei olnud aga neis katsetes samaväärsed: esimene võis anda ajapikendust, teine võimaldas kooslusel püsima jääda.
Ka geenivahetusega saavutatud kaitsel oli piir. Suurema katsetatud kolistiinisisalduse juures hääbus kooslus hoolimata resistentsusplasmiidist. DNA levik ei muutnud baktereid antibiootikumi suhtes piiramatult vastupidavaks.
Koosluse käekäiku jälgiti minut minuti järel
Et näha lisaks katse lõpptulemusele ka koosluse muutumist, kasvatasid teadlased baktereid seadmes, mis lisas värsket toitelahust ja eemaldas osa kultuurist. Andurid mõõtsid iga minuti järel vedeliku hägusust ning kahe tüve fluorestseeruvate märgiste signaali.
Automaatseid mõõtmisi kontrolliti proovide abil: loeti bakterikolooniaid ja analüüsiti rakke eraldi. Nii sai võrrelda eri meetoditega saadud pilti sellest, kuidas kooslusel läheb.
Pideva kasvatamise katsetes püsis kooslus kuni 1000 tundi ehk ligikaudu kuus nädalat. Selle liikmete osakaal küll kõikus, kuid süsteem võimaldas jälgida bakterite omavahelisi suhteid pika aja jooksul, mitte üksnes katse alguses ja lõpus.
Kas geenivahetuse väikesest pidurdamisest võiks piisata?
Katsetulemuste põhjal koostatud matemaatiline mudel osutas, et mõnes olukorras võib koosluse saatus sõltuda üsna väikesest erinevusest plasmiidi ülekandumise kiiruses. Mudelis piisas teatud tingimustel geenivahetuse vähesest aeglustumisest, et püsimine asenduks hääbumisega.
Sellest tuleneb järgmine katsetatav küsimus: kas antibiootikumi mõju saaks muuta, kui takistada samal ajal resistentsusgeenide levikut? Praegune töö seda katseliselt ei tõestanud. Mudeli ennustus annab põhjuse hüpoteesi kontrollida, mitte aluse kuulutada välja uus ravistrateegia.
Tulemuste ulatust piirab ka katsesüsteemi lihtsus. Kõik kolm bakteritüve pärinesid samast kolibakteri laboritüvest ning antibiootikumi- ja plasmiidikatsetes oli kaks bioloogilist kordust. Looduses või inimese organismis võivad bakterikooslused olla palju mitmekesisemad ning nii toitainete jagamine kui ka DNA ülekandumine toimida teisiti.
TriCommi väärtus on võimaluses uurida neid seoseid kontrollitud oludes. Töö näitab, miks ei pruugi antibiootikumi toime mõistmiseks piisata teadmisest, milline bakter on resistentne: oluline võib olla ka see, kellest ta sõltub ja kas ta jõuab oma kaitse õigel ajal teistele edasi anda.
Artikkel valmis Yawni AI-agendi toimetamisel.