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

Примерно в то же время Эстер получила первые данные, позволившие найти у бактерий еще один способ обмена генами. Она открыла бактериофага лямбда — заражающего бактерий вируса, или “фага”, который годами мог оставаться в бездействии в клетках кишечных палочек некоторых штаммов, выращиваемых в ее лаборатории. Время от времени фаг лямбда выскакивал из главной хромосомы зараженной бактерии и нападал на другие бактериальные клетки. Иногда это приводило к их гибели, но в других случаях бактериофаг успешно внедрялся в их хромосому и вместе с ней в бездействии передавался следующим поколениям. Вскоре после этого третий сотрудник лаборатории Ледербергов, двадцатидвухлетний Нортон Зиндер, показал, что бактериофаги, такие как фаг лямбда, замешаны в контрабанде генов. А именно, он показал, что когда бактериофаг вырезается из бактериальной хромосомы, он может случайно забрать кусок этой хромосомы с собой. Чтобы продемонстрировать, что при этом, по его мнению, происходило, Зиндер заражал колонии устойчивой к некоторому антибиотику сальмонеллы, а затем смешивал их в чашке Петри с незараженными и восприимчивыми к этому антибиотику штаммами. В ходе этих операций ему удалось отловить бактериофагов, подхвативших гены устойчивости и передающих эти гены в рабочем состоянии следующей порции заражаемых бактерий. Каждая из таких бактерий, если ей удавалось пережить инфекцию, сразу становилась устойчивой к антибиотику.

Зиндер назвал такую транспортировку генов трансдукцией, чтобы не путать ее с трансформацией — еще одним способом, позволяющим бактериям подхватывать новые признаки. Остававшийся неясным феномен трансформации был открыт еще в 1928 году в ходе эксперимента, проведенного Фредериком Гриффитом, сотрудником британского Министерства здравоохранения. Изучая эпидемию особо тяжелой формы пневмонии, Гриффит начал сравнивать разные штаммы пневмококка и искать отличия между ними. Наряду с другими отличительными признаками у самого смертоносного штамма имелась гладкая капсула, позволявшая пневмококкам выскальзывать из лап иммунной системы зараженного организма. Однажды Гриффит заразил своих подопытных мышей одновременно живым, но безвредным штаммом пневмококка и порцией убитых клеток смертоносного штамма. Очень скоро эти мыши погибли.

Исследуя их кровь под микроскопом, Гриффит обнаружил, что потомки некогда безвредных мутантов были одеты в капсулы. Он еще раз повторил свой эксперимент, чтобы убедиться, что мыши не заразились живыми высокопатогенными бактериями случайно. Нет, дело было не в этом. Прежде безвредные голые пневмококки каким-то образом подхватили способность образовывать капсулы от разрушенных клеток своих мертвых родственников.

В начале сороковых годов Освальд Эвери, Колин Маклауд и Маклин Маккарти из Рокфеллеровского института установили, что исследованные Гриффитом пневмококки подбирали в окружающей среде обрывки молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) патогенного штамма. Тем самым эти ученые получили первые убедительные свидетельства того, что именно из ДНК и состоят гены.

В 1952 году, когда были опубликованы данные об открытиях, сделанных в лаборатории Ледербергов, стало ясно, что бактерии используют целый ряд способов, позволяющих им подхватывать новые признаки. Они могут подбирать гены из окружающей среды, обмениваться ими в ходе конъюгации или получать их вместе с встраивающимися в бактериальную хромосому вирусами. Теперь нам известен и еще один, четвертый путь работающего у бактерий “генетического такси” — так называемые прыгающие гены, или транспозоны, открытые в сороковых годах генетиком Барбарой Мак-Клинток. Транспозон по сути представляет собой какой-либо ген или группу генов с расположенными по краям “вставочными последовательностями” — отрезками ДНК, периодически вырезающимися из одной хромосомы и вставляющимися в другую вместе с расположенными между ними генами.

В клетках растений и животных (содержащих много хромосом в расположенном в центре клетки ядре) транспозоны просто перемешивают гены, при этом время от времени случайно включая их или выключая. У бактерий же транспозон способен переносить гены из главной хромоты в плазмиду, вместе с которой они могут поставляться другими бактериями. Некоторые транспозоны даже содержат гены независимой транспортировки. Стоит им выскочить из главной хромосомы, как они вызывают образование конъюгационного мостика, по которому транспозон передает в другую клетку копию самого себя.

Бактериальный сверхорганизм

Нет никаких оснований предполагать, что это антибиотики дали бактериям средства, позволяющие им обмениваться генами. В образцах бактерий, взятых у пациентов в начале двадцатых годов прошлого века, были обнаружены плазмиды, бактериофаги и транспозоны — все в наилучшем виде и готовые к переносу. Но те же сохраненные медиками образцы свидетельствуют и о том, что гены устойчивости к антибиотикам были редкостью или вообще не встречались у бактерий, вызывавших инфекционные заболевания в начале XX века.

В пятидесятые годы микробиологи еще не осознавали, насколько активно бактерии обмениваются генами, но последствия такого обмена ярко проявлялись в стенах медицинских учреждений всего мира. В 1959 году в больницах Японии были отмечены вспышки устойчивой ко многим антибиотикам формы дизентерии. Вызывавшие эти вспышки бактерии — шигеллы — не поддавались действию четырех различных классов некогда эффективных антибиотиков: сульфаниламидов, стрептомицинов, левомицетинов и тетрациклинов. Как ни странно, шигеллы, выделенные из стула пациентов до начала лечения антибиотиками, обычно оказывались, судя по результатам анализов, вполне чувствительными к препаратам всех четырех классов. Но применение препарата любого из этих классов каким-то образом делало микробов абсолютно устойчивыми ко всем четырем. Все это выглядело совершенно неправдоподобным, пока одна из исследовательских групп не обратилась к образцам стула, взятым у пациентов до начала лечения. Наряду с представителями нормальной кишечной микрофлоры исследователи обнаружили штаммы кишечной палочки, устойчивые к препаратам всех четырех классов. Не могли ли кишечные палочки каким-то образом передавать свою устойчивость ко многим антибиотикам намного более опасным шигеллам? Как выяснилось, именно это и происходило. Более того, японские исследователи установили, что передавать устойчивость ко многим антибиотикам от кишечных палочек шигеллам и обратно довольно просто: достаточно смешивать устойчивую и чувствительную культуры в одной пробирке.

Англоязычные микробиологи узнали эту новость в 1961 году. В майском номере широко читаемого издания Journal of Bacteriology Цутому Ватанабэ и Тосио Фукасава из Университета Кэйо в Токио не только изложили открытия своих коллег, но и сообщили о фантастических результатах собственных исследований. Им удалось отследить передачу как плазмид, так и бактериофагов, несущих гены устойчивости к антибиотикам, между четырьмя разными видами бактерий: кишечной палочкой (Escherichia coli), шигеллой дизентерии (Shigella dysenteriae) и двумя видами сальмонелл (Salmonella typhimurium и S. enteritidis). Последние два вида относятся к числу самых обычных возбудителей пищевых отравлений. Более того, Ватанабэ и Фукасава установили, что время, требующееся на то, чтобы передать гены устойчивости ко многим антибиотикам в пробирке, составляло в среднем около пятнадцати минут. При этом время прохождения зараженной инородными бактериями пищи по территории кишечной палочки в человеческом кишечнике составляет не один час, то есть его более чем достаточно, чтобы бактерии успели сблизиться друг с другом и поделиться несколькими трюками.

Микробиологам, читавшим эту статью, пришлось усваивать изложенные в ней открытия шаг за шагом. Во-первых, они должны были принять, что бактерии могут накапливать гены устойчивости к антибиотикам как нити бисера, заплетаемые в “фенечку”. Во-вторых, оказалось, что любой антибиотик может вызывать распространение устойчивости не только к себе самому, но и к ряду других препаратов, если несколько генов устойчивости очутились на одной плазмиде или внутри одного бактериофага. При этом, в сущности, антибиотик может способствовать распространению любого гена, сколь угодно опасного или благотворного, если он оказался сцеплен с геном устойчивости. Но, быть может, самым глубоким откровением стало то, что японские ученые показали преодолимость барьеров, разделяющих разные виды бактерий. Хотя сальмонеллы, шигеллы и кишечная палочка и относятся к одному семейству, обмен генами между ними означает пересечение границ даже не между видами, а между родами. Это был первый явный признак того, что бесконтрольный обмен генами, по сути, превратил все царство бактерий в один огромный сверхорганизм, объединенный фундаментальным стремлением к выживанию.

Опасность, которой пренебрегли

Хотя новость об обмене генами между бактериями и привлекла внимание микробиологов, практикующие врачи не придали ей особого значения. Призрак непреодолимой устойчивости к антибиотикам казался дальней угрозой, принимая во внимание представлявшийся нескончаемым запас новых антибиотиков, которые делались все эффективнее. Но вскоре канал поступления новых антибиотиков начал пересыхать. В восьмидесятых годах специалисты по фармацевтике осознали, что у них заканчиваются новые биохимические мишени для противомикробных средств. Следующее десятилетие ознаменовалось беспрецедентным ростом высокоустойчивых нозокомиальных (то есть внутрибольничных) инфекций. Помимо обычных источников неприятностей (таких как стафилококки), среди возбудителей этих инфекций были устойчивые к антибиотикам штаммы нормальной микрофлоры, редко вызывавшие проблемы до наступления эры антибиотиков. Важнейшими из этих “хороших микробов, ставших плохими”, были энтерококки — семейство шарообразных бактерий, известных как одни из самых невинных, а также самых распространенных микроорганизмов, живущих в кишечнике человека. В былые времена энтерококки не вызывали развития инфекции даже в тех случаях, когда попадали в открытые раны.

Предрасположенность энтерококков к вредоносности, проявившаяся под влиянием антибиотиков, была связана с двумя их неотъемлемыми свойствами. Во-первых, они от природы хорошо переносят жизнь вне организма- хозяина и могут оставаться в живых на открытом воздухе в течение нескольких часов. Кроме того, они способны переносить низкие и даже средние дозы вредных химических веществ, таких как дезинфицирующие средства и антибиотики. К восьмидесятым годам два вида из числа самых устойчивых — Enterococcus faecatis и Е. faecium — стали настоящим бедствием отделений реанимации, где через капельницы, мочевые катетеры и трубки для искусственной вентиляции легких они попадали в кровоток и внутренние ткани самых ослабленных пациентов, с нарушенной иммунной системой.