A baktériumok altruizmusa
A baktériumok akkor válnak rezisztenssé egy antibiotikumra, ha a baktériumpopuláció néhány egyedében olyan mutáció alakul ki, amely megvédi őket az antibiotikum hatásától. Ezek a baktériumok a többinél gyorsabban fognak szaporodni, például azért, mert gyorsabban tudják kipumpálni szervezetükből az antibiotikumot, mint a többiek.
Ezt a tulajdonságot továbbadják utódsejtjeiknek, és azok az ő utódaiknak. Az eredmény az lesz, hogy az ilyen baktériumok aránya egyre nő, és végül túlnövik a nem rezisztens baktériumokat, ők fognak dominálni a populációban. Emiatt aztán az antibiotikum hatástálanná válik.
A Nature szeptember 2-i számában Lee és munkatársai (Lee, HH et al., Nature, 2010, 467: 82–85) az antibiotikum-rezisztencia kialakulásának egy merőben új mechanizmusát mutatták ki, amely nem csak egyes mutációkon alapul, hanem a baktériumpopuláció egésze részt vesz benne. Eredményeik felhívják a figyelmet annak fontosságára, hogy meg kell értenünk a baktériumpopuláció dinamikájának mennyiségi viszonyait is, ha jó stratégiát akarunk alkalmazni az antibiotikumok előírásakor.
Képzeljük el, hogy kialakul egy rezisztenciát okozó mutáció az egyik baktériumban, és ez a baktérium valamilyen mechanizmussal – például egy anyag kiválasztásával – segíteni tudja a szomszédait is abban, hogy ellenállóbbak legyenek az antibiotikummal szemben. Ez megnövelné az esélyét annak, hogy a baktériumpopuláció életben marad, hiszen nem kellene megvárni, hogy a mutáns baktérium leszármazottai dominánssá váljanak a populációban, és emellett megmaradna a populációs szintű genetikai sokféleség is.
Lee és munkatársai éppen ezt a jelenséget mutatták ki Escherichia coli tenyészetben, antibiotikumként norfloxacint alkalmazva. A norfloxacin egy olyan fehérjére hat, amely elengedhetetlenül szükséges a DNS replikációjához, és így megakadályozza a baktériumok szaporodását. Megfigyelték, hogy ha az E. coli populációt olyan táptalajon tenyésztik, amely mérsékelt mennyiségű, nem halálos dózisú norfloxacint tartalmaz, a populáció növekedése először lelassul, de néhány napon belül ismét felgyorsul, mivel a baktériumok rezisztensebbé váltak az antibiotikumra. Ha ezután nagyobb mennyiségű norfloxacint alkalmaztak, megismétlődött a jelenség: először csökkent, majd a normális szintre gyorsult a baktériumok szaporodása. Tíz napon át folytatták a norfloxacin mennyiségének lépcsőzetes növelését, és végül a baktériumok ötször akkora norflaxin-koncentrációt tudtak elviselni, mint kezdetben. De ez nem azért történt, mintha a populáció valamennyi egyedében mutáció lett volna jelen.
Lee-ék vizsgálatának egyik fő újdonsága a baktériumokban a norfloxacinnal szemben kialakuló rezisztencia időbeli lefolyásának leírása. A szerzők izolálták azokat a baktériumokat, amelyekben norfloxacin-rezisztenciához vezető mutáció alakult ki, és azt találták, hogy norfloxacin jelenlétében ezek szaporodásának üteme lassúbb volt, mint a teljes baktériumpopulációé (amely vegyesen tartalmazott rezisztens és nem rezisztens sejteket). Azonban a mutáns baktériumok egy nagyon kis hányada gyorsabban szaporodott, mint a teljes populáció.
A szerzők meg is tudták magyarázni a fent leírt jelenségeket, amelyek kulcsa az, hogy a néhány, nagyon rezisztens mutáns indolt, egy kis molekulát termel, amely bediffundál a szomszédos sejtekbe és molekuláris rezisztenciát triggerel bennük a norfloxacinnal szemben. Az indolt – ha nincs jelen antibiotikum – rendszerint az összes baktériumsejt termeli, azonban antibiotikum hatására leáll a termelése. A nagyon rezisztens mutánsokban a mutáció elősegíti életbenmaradásukat és indoltermelésük fenntartását a norfloxacin jelenlétében is, és lehetővé teszi, hogy segítsék szomszédaik fennmaradását is. Mivel az indoltermelés energiaigényes folyamat, a mutáns sejtek energiát használnak fel egy olyan tevékenységhez, amely nem járul hozzá önnön fennmaradásukhoz, azaz altruisztikusan viselkednek. Ez a mechanizmus nem antibiotikum-specifikus; a szerzők gentamicinnel is megismételték a kísérleteket, és az eredmény uganaz volt, mint a norfloxacin esetében.
Az ún. quorum sensing és a biofilm anyagcseréje azt igazolja, hogy a baktériumpopulációk összehangolt működésre képesek – ezekhez a példákhoz csatlakozik most az antibiotikum-rezisztencia is. Ennek az ismeretnek gyakorlati jelentősége is van: segíthet eldönteni, hogy milyen dózisban és mennyi ideig alkalmazzanak egy antibiotikumot.
Forrás: Youk H, van Oudenaarden A: Altruistic defence. Nature, 2010, 467:34-35.
