Микробы хорошие и плохие. Наше здоровье и выживание в мире бактерий.

Конец бактериальным инфекциям?

Начиная с 1960 года компания Beecham, гигант британской фармацевтики, и американская фирма Bristol-Myers выпустили в продажу метициллин — сперва в Европе, а затем и в США. Этот долгожданный препарат попал в заголовки газетных статей еще в 1959 году, когда врачи с помощью его экспериментальной дозы спасли жизнь актрисе Элизабет Тейлор, которая во время съемок фильма “Клеопатра” заболела пневмонией, вызванной стафилококковым штаммом 80/81. Метициллин, первый синтетический антибиотик был получен химиками из компаний Beecham и Bristol путем внесения небольшого изменения в структуру молекулы пенициллина — добавления химического “шипа” к ее бета-лактамному кольцу. Это изменение сделало антибиотик неуязвимым для деактивирующих ферментов, вырабатываемых устойчивыми к пенициллину микробами. На основе метициллина, препарата для инъекций, используемого преимущественно в больницах, были разработаны несколько устойчивых к желудочному соку препаратов для приема внутрь, таких как оксациллин, нашедший широкое применение за пределами больничных стен.

Но прошло меньше года с начала применения антибиотиков метициллиновой группы, и врачи стали сталкиваться со штаммами, устойчивыми к этим препаратам. И хотя подобные средства и оказались действенными против штамма 80/81, на самом деле на момент внедрения в медицинскую практику метициллина этот высокопатогенный штамм был уже на пути к исчезновению. “Не то чтобы такие микробы действительно вымирали, — поясняет Айхенвальд, — они просто исчезают на какое-то время, а затем возвращаются в более устойчивой форме”. К 1964 году европейские больницы начали сообщать о массовых вспышках инфекций, вызываемых устойчивым к метициллину золотистым стафилококком — MRSA (meticillin- resistant Staphylococcus aureus), штаммы которого вскоре стали всплывать и в медицинских учреждениях других континентов. Для многих специалистов по медицинской микробиологии быстрый ответ бактерий на разработанный в лабораторных условиях антибиотик положил конец мечтам о “волшебной пуле”, которая позволила бы покончить с бактериальными заболеваниями. Новой парадигмой стала концепция бесконечной гонки вооружений между медициной и миром микробов. Как говорила Черная Королева из “Алисы в Зазеркалье”: “Ну, а здесь, знаешь ли, приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте!”

Фармацевтическая промышленность взялась за решение проблемы, сформулированной Черной Королевой, и добилась впечатляющих результатов. Шестидесятые и семидесятые годы ознаменовались дебютом нескольких совершенно новых классов антибиотиков, показавших себя действенными средствами против широкого спектра бактерий по обе стороны разделяющей бактериальное царство границы между грамположительными и грамотрицательными. Клиндамицины, фторхинолоны и цефалоспорины стали поистине “большими пушками”, из которых можно было расстреливать едва ли не любые инфекции, не разбирая, по кому стреляешь. Они позволяли спасать жизнь в критических ситуациях, например когда у врача- реаниматолога просто не было времени на анализы, которые позволили бы установить, какой именно микроорганизм убивает пациента. Но стремящаяся сократить расходы администрация больниц и перегруженные работой врачи вскоре сообразили, что такие универсальные антибиотики позволяют им экономить на дорогостоящих и отнимающих много времени мерах по определению возбудителей заболеваний даже тогда, когда времени на это хватало. Исходя из принципа “в любом случае не повредит”, хирурги тоже стали давать своим пациентам перед операцией антибиотики широкого спектра действия и предписывали им принимать такие антибиотики в течение ряда дней после операции, чтобы застраховаться от любых возможных инфекций. За пределами больниц врачи-терапевты тоже оценили эти средства за их удобство и эффективность. “С антибиотиками широкого спектра действия терапевты чувствовали больше уверенности в своем лечении, — вспоминает Айхенвальд. — Они думали: “Не знаю точно, что это за микроб. Надо бы воспользоваться каким-нибудь средством, убивающим все на свете”. И фармацевтическая промышленность всячески поощряла такой подход рекламой, смысл которой сводился к лозунгу “Лучше перестраховаться!”.

Но у всего этого удобства была и темная сторона. Беспорядочная стрельба по бактериям антибиотиками широкого спектра действия приводит к гибели не только возбудителя, по которому стреляют, но и триллионов других населяющих наш организм бактерий, от потенциальных источников неприятностей, таких как стафилококки, до представителей защитной и другой полезной микрофлоры. В результате эти препараты проводили отбор на устойчивость среди широкого круга бактерий, для которых человеческий организм — как дом родной. На осознание последствий этого отбора ушло не одно десятилетие. Но уже к восьмидесятым годам стало ясно: “беговая дорожка Черной Королевы” ускоряется, и фармацевтическая промышленность перестает за ней поспевать.

Микроскопические брачные игры

Горькая очевидность того, что бактерии могут эволюционировать, и эволюционировать быстро, пришла уже вскоре после начала применения первых бактерицидных препаратов — сульфаниламидов в тридцатые годы, а затем пенициллина в сороковые. Всего через пару лет после внедрения каждого нового средства появлялись устойчивые к нему штаммы болезнетворных микробов. Стоило им появиться, как их устойчивость, казалось, быстро передавалась и бактериям других разновидностей. Иногда врачи сталкивались с инфекциями, борьба с которыми требовала все более высоких доз и продолжительных курсов лечения тем же антибиотиком. В других случаях им приходилось иметь дело с внезапным появлением коварного микроба, обладающего полной устойчивостью.

Ученые были озадачены. Может быть, бактерии спорны постепенно вырабатывать устойчивость к антибиозам, подобно тому как человек постепенно приспосабливается, скажем, к большим высотам над уровнем моря или к острой пище? Другое возможное объяснение состояло в том, что в пределах любой колонии бактерий могли найтись один или два носителя удачной мутации, которая позволяла им выдерживать химическую атаку антибиотика. После того как лекарственный препарат убивал всех восприимчивых бактерий, оставшиеся в живых мутанты получали шанс размножиться и занять их место, порождая новый штамм из своих клонов, устойчивых к данному препарату.

В 1951 году супруги Джошуа и Эстер Ледерберги, микробиологи из Висконсинского университета, продемонстрировали изящное и простое доказательство того, что именно имеющиеся изначально мутации, а не постепенно вырабатываемая невосприимчивость, лежат в основе множества случаев приобретения бактериями устойчивости к новым препаратам. Ледерберги обнаружили, что, используя лоскутки бархата, закрепленные на деревяшках размером с чашку Петри, можно одновременно брать сотни крошечных бактериальных колоний из одной заполненной бактериями чашки и переносить их ровно в том же положении на ряд других чашек, содержащих какой-либо антибиотик, например стрептомицин. Если устойчивость вырабатывалась благодаря мутации, изначально имевшейся у немногих бактерий в исходной чашке, то новые колонии должны были во всех чашках со средой, приправленной антибиотиком, возникать ровно на том же месте. Именно это Ледербергам и удалось пронаблюдать: как оказалось, устойчивостью к стрептомицину изначально обладали одна-две клетки на каждый миллион или десяток миллионов. Это означало, что каждый новый антибиотик становится мощным новым фактором бактериальной эволюции, отсеивая всех бактерий, кроме тех, ничем иным не примечательных, кто оказывался способен противостоять его действию. Избавившись тем самым от конкурентов, удачливые мутанты могли расселяться на их месте, тут же порождая новую, устойчивую к антибиотику колонию.

Эта новость стала для медиков источником ложного ощущения безопасности. Если мутации могут дать устойчивость к антибиотикам не более чем одной бактерии на десять миллионов, решение проблемы должно быть простым: нужно всего лишь наносить микробам двойные удары, применяя два разных средства одновременно. Шанс, что у бактерии обнаружится устойчивость к обоим средствам, казался ничтожно малым: один на десять миллионов раз по десять миллионов, то есть на сто триллионов. Беда была в том, что бактерий, судя по всему, не убедили эти расчеты. Устойчивость ко многим антибиотикам начала проявляться в больницах и кабинетах врачей уже в конце сороковых и начале пятидесятых. В некоторых случаях такая устойчивость, похоже, вырабатывалась последовательно, то есть в составе штамма, уже устойчивого к одному антибиотику, выделялся подштамм, устойчивый также и к другому. Однако, как ни странно, некоторые врачи сообщали и о том, что они сталкивались с бактериями, которые внезапно превращались из вполне восприимчивых к стандартным средствам в абсолютно устойчивых ко множеству бактерицидных препаратов. Большинство специалистов отвергали эти сообщения как необоснованные.

Хотя в то время никто этого еще не осознавал, предшествующие работы Ледербергов уже указывали на множество причудливых трюков, к которым могут прибегать “простые” бактерии в ходе эволюции для преодоления любых преград, стоящих на их пути. Для начала еще в 1946 году юный Джо Ледерберг, которому шел тогда двадцать второй год, поразил научный мир сообщением, что у бактерий бывает половая жизнь Это утверждение казалось диким, учитывая что бактерии определенно лишены тех сложных клеточных структур, которые позволяют более крупным и сложнее устроенным организмам сортировать и разделять свои гены по половинчатым наборам, содержащимся в сперматозоидах и яйцеклетках. Было общеизвестно, что бактерии размножаются простым делением надвое, при котором каждой “дочерней” клетке достается точная копия генов “материнской”. Этот примитивный способ воспроизводства дает единственной бактерии возможность размножаться быстро и в геометрической прогрессии, порождая несколько миллионов потомков за несколько часов и до миллиарда в течение суток.

Существование полового процесса у бактерий было доказано Ледербергом с помощью набора мутантов кишечной палочки. Каждый из этих мутантов был лишен способности синтезировать одно или несколько жизненно важных веществ. Поэтому такие мутанты могли размножаться только на питательных средах, содержащих тот витамин или аминокислоту, которой они были не способны обеспечить себя сами. Но, смешивая в разных сочетаниях таких частично неполноценных мутантов, Ледерберг получил полноценное “потомство”, то есть бактерий, способных самостоятельно производить все нужные им для жизни вещества и успешно расти на питательной среде без каких-либо добавок. Неполноценным мутантам удалось каким-то образом объединить свои генетические активы. У организмов, видимых невооруженным глазом, от червей до человека, родители объединяют свои гены в потомстве путем слияния сперматозоида и яйцеклетки. Что собой представляет “половой акт” у бактерий, этого не знал тогда и сам Джошуа Ледерберг.

Два года спустя Эстер Ледерберг удалось приблизиться к ответу на вопрос, как проходит половая жизнь бактерий. Работая с новым набором мутантов кишечной палочки с измененными пищевыми потребностями, она обнаружила, что они внезапно утрачивали свою “половую функцию”. Будучи генетиком, Эстер понимала: исчезновение какого-либо признака часто можно использовать как ключ для поисков гена, который в норме обеспечивает существование этого признака. За несколько лет ей, ее мужу и их итальянскому коллеге Луиджи Кавалли удалось обнаружить некоторый “фактор фертильности”. Он находился в колечке из генов, плавающем внутри бактериальной клетки отдельно от ее главной хромосомы. Джошуа Ледерберг назвал такие колечки дополнительных генов плазмидами. Функция находящегося на такой плазмиде гена фертильности, или T-фактора, состоит в том, чтобы вызывать образование пилей — своего рода бактериальных пенисов, вырастающих на наружной мембране клетки, формируя мостики, по которым она может передавать другой бактерии всю плазмиду вместе с содержащимся в ней дополнительным генетическим материалом. Получив этот подарок от клетки-донора, клетка-реципиент сама становится фертильной — то есть способной выстраивать половые мостики и делиться с другими клетками генами, в том числе генами устойчивости к антибиотикам.