Кейт Андертон

5 марта 2020 г

Антибиотики могут облегчить работу инфекций. Но как они влияют на сложные экосистемы дружественных бактерий, которые составляют наш микробиом?

«Когда врач назначает антибиотики, он запускает многогранный эксперимент в вашей желудочно-кишечной системе, - объясняет Уилл Лудингтон из фонд Карнеги. - Чему это может научить нас о молекулярных принципах взаимодействия видов в природе?»

Новая работа под руководством Лудингтона и К.С. Хуана из Стэнфордского университета намеревалась ответить на этот сложный вопрос и открыла новую форму устойчивости к антибиотикам. Их результаты, которые имеют важные последствия для здоровья, публикуются eLife.

Это один из нескольких направлений исследований, в которых Лудингтон использует микробиом плодовой мухи, чтобы понять взаимодействие между видами в бактериальном сообществе. Он представляет собой идеальную среду для исследования как природных популяций бактерий, так и микробиома человека.

Человеческий микробиом - это экосистема, состоящая из сотен и тысяч видов микробов, живущих в наших кишках. Это влияет на наше здоровье и даже на долголетие. Но трудно объяснить множество способов, которыми различные виды, которые составляют наш микробиом, взаимодействуют и влияют друг на друга, даже в нормальных условиях. После введения антибиотиков мало что понимают о том, как эти жизненно важные сообщества воздействуют на биохимический уровень.

Вот почему фруктовая муха делает такую ​​прекрасную модель. В отличие от человеческого микробиома, он состоит только из нескольких видов бактерий.

Мы действительно хотели понять, как нацеливание антибиотика на определенные физиологические процессы влияет на метаболические взаимодействия и обмен ресурсами, которые происходят между бактериальными видами в сообществе. Это особенно важно, потому что в природе бактерии живут в разных сообществах».

  Андрес Аранда-Диас, ведущий автор из Стэнфордского университета

Простота микробиома плодовой мухи делает его идеальным средством для выявления того, как это биохимическое взаимодействие многих видов изменяется при введении антибиотиков.

«Мы обнаружили, что взаимодействие между видами в кишечной экосистеме микробиома влияет на эффективность антибиотиков при уничтожении отдельных видов в этом сообществе, а также на метаболизм всего сообщества», - сказал Хуан.

Исследователи продемонстрировали, что, когда бактерии из микробиома плодовой мухи, называемые лактобациллы (Lactobacillus), которые также содержатся в йогурте, выращиваются вместе с бактерией мухи, производящей уксус, под названием ацетобактер (Acetobacter), она менее восприимчива к смерти антибиотиками.

Это новая категория феноменов, называемых толерантностью к антибиотикам, что означает, что клетки погибают гораздо медленнее, если их находить вместе, чем сами по себе. Толерантность может быть опасной, потому что эта задержка увеличивает риск развития полной устойчивости к антибиотику.

«Обычно толерантность возникает, когда клетка замедляет метаболизм в ответ на воздействие антибиотиков», - объясняет Лудингтон. «Но в этом случае толерантность на самом деле связана с усилением метаболизма».

Оказывается, что ацетобактер потребляют молочную кислоту, которая выделяется в виде отходов соседним лактобациллы, обеспечивая преимущество в физической форме для обоих видов и вызывая толерантность, обнаруженную командой.

«Мы пока точно не знаем, как это происходит, но мы думаем, что два вида бактерий оба «знают», когда другой тип клетки присутствует, и реагируют соответствующим образом», - сказал Бенджамин Обадия из Калифорнийского университета в Беркли. «Эти механизмы, вероятно, развивались из совместной жизни, и мы бы не увидели их, если бы изучали два вида в изоляции».

Работа команды показывает, что микробиом может быть важным инструментом для понимания взаимоотношений в сообществах бактерий в естественном мире на биохимическом уровне.

«Это также иллюстрирует, что здоровье кишечного микробиома должно учитываться при назначении антибиотиков», - добавил Лудингтон.

Изучение принципов, регулирующих взаимодействие видов и видов, является ключом к такому пониманию экосистем, больших и малых, и микробиом является важным инструментом для изучения этих вопросов.

Другое недавно опубликованное сотрудничество между Лудингтон, Хуан и другим исследователем из Стэнфорда - биологом Люси О'Брайен - разработало новую технологию для визуализации кишок живых плодовых мушек. Названный Bellymount, он позволил им впервые наблюдать отдельные бактериальные клетки в кишечнике живой плодовой мухи.

«Наблюдая за микробиомом в режиме реального времени, мы смогли измерить его динамику», - сказал Лудингтон в своей статье, опубликованной в PLOS Biology.

Исследовательская группа обнаружила, что определенные области кишечника обладают высокой стабильностью микробиома, а другие имеют непрерывный оборот. Это указывает на наличие структур в кишечнике плодовой мухи, которые поддерживают колонизацию, и открывает возможность того, что плодовые мушки могли развить эти структуры, чтобы сохранить свои микробиомы.

«Теперь у нас есть возможность фактически подслушивать «разговоры» между микробиомными бактериями и кишечными клетками в окружающей их среде», - сказал Хуан.