Исследователи обнаружили, что при столкновении с общей — или исторической — угрозой, такой как лишение питательных веществ, смертельная бактерия Streptococcus pneumoniae проявляет высокоорганизованный ответ, на который влияет генетическая эволюция бактерий и обеспечивается генами, которые совместно реагируют на стресс. Но при столкновении с антибиотиками — относительно новой формой стресса — бактерия выстраивает беспорядочную защиту, согласно исследованию «Антибиотики нарушают координацию между транскрипционной и фенотипической реакцией на стресс у патогенных бактерий», опубликованному сегодня в журнале Cell Reports.«Мы показываем, что стресс, связанный с питательными веществами, вызывает высокоорганизованную реакцию бактерий», — сказал доцент биологии Тим ван Опийнен, главный исследователь исследования. "По сути, он, кажется, распознает стресс и знает, как с ним справиться.
«Но реакция на антибиотики была в высшей степени дезорганизованной, что свидетельствует о том, что организм испытывает трудности с этим стрессом, пробуя все виды несвязанных вещей, чтобы прийти к решению и преодолеть стресс», — сказал он. «Это показывает, что бактерии гораздо менее знакомы с антибиотиками, не« зная », как правильно реагировать».Ван Опийнен, чье исследование на основе данных помогло установить понимание того, как бактерии полагаются на основные генетические сети для функционирования, сказал, что результаты могут способствовать разработке новых лекарств, а также помочь предсказать, как бактерии развиваются, адаптируются и становятся устойчивыми к антибиотикам.Ван Опийнен и соавторы Карен Чжу, докторант Британской Колумбии и бывший постдокторант Пол Дженсен, ныне работающий в Университете Иллинойса, объединили большие объемы экспериментальных данных с новой крупномасштабной вычислительной моделью, которую они разработали для получения новых идеи и оспаривают некоторые давние предположения о взаимодействии между бактериями и лекарствами, предназначенными для их лечения.S. pneumoniae ежегодно убивает около 1,5 миллиона человек.
В предыдущем исследовании ван Опийнен и его коллеги показали, что разные штаммы бактерий однозначно реагируют на антибиотики. На этот раз исследовательская группа изучила, как штаммы реагируют на различные стрессоры. Команда использовала два аналитических подхода: один используется в течение многих лет, а другой разработан в лаборатории ван Опийнена.
Команда использовала процесс, известный как секвенирование РНК, или RNA-Seq, для оценки бактериальных генов, которые спровоцированы на изменение, процесс, известный как транскрипция. Это занятие долгое время считалось центральным для понимания того, как бактерии борются с антибиотиками и другими факторами стресса.
Команда объединила этот анализ со своей собственной техникой: секвенирование вставки транспозона или Tn-Seq. Разработанный ван Опийненом, Tn-Seq объединяет миллионы генетических последовательностей и выделяет функции генов в бактериях. Преимущество Tn-Seq заключается в том, что он способен определять, какие гены играют наиболее важные защитные роли.В течение более чем двух лет в ходе экспериментов команды RNA-Seq было проанализировано 800 миллионов генетических последовательностей и получено 150 000 точек данных.
По словам Чжу, Tn-Seq проанализировал 1,2 миллиарда последовательностей и произвел 300 миллионов точек данных.«RNA-Seq изучает активность каждого гена в геноме организма», — сказал ван Опийнен. «Активность каждого гена всегда ассоциировалась с важностью. Почти три десятилетия предполагалось, что если вы возьмете организм и подвергнете его стрессу, и активность гена изменится, это должно быть важно».
Это предположение было трудно проверить, сказал ван Опийнен. Но с помощью Tn-Seq ван Опийнен может оценить важность гена в конкретном состоянии.«Мы обнаружили, что нельзя предполагать, что изменение активности гена означает, что ген важен», — сказал ван Опийнен.
Он сказал, что это удивительное открытие. В конце концов, почему могло произойти изменение активности генов, если это не было важно для выживания организма?Частично ответ может заключаться в совместном характере работы генов по всему геному бактериального штамма, сказал ван Опийнен. «Они сотрудничают и подтверждают выполнение функций, превращаясь в определенный фенотип», — сказал он. «Таким образом, существует взаимосвязь, поскольку все гены взаимодействуют друг с другом путями или сетями; они взаимодействуют друг с другом».
Исследователи построили метаболическую модель скоординированного ответа на депривацию, в которой отвечающие гены располагались в непосредственной близости друг от друга. При использовании антибиотиков модель показывает, что реакция физической сети нарушается в результате дезорганизации, и эти гены больше не находятся в непосредственной близости.«Бактерии используют эти типы регуляции для борьбы со стрессом», — сказал Чжу. «Что касается истощения питательных веществ, поскольку они реагировали на этот тип стресса в ходе своей эволюции, бактерии« знают », как координировать эту деятельность. Но с относительно новым инвазивным фактором стресса, таким как антибиотик, бактерии не могут быть в состоянии найти способ дать скоординированный ответ ".
В поисках причин, по которым определенные типы бактерий становятся устойчивыми к антибиотикам, исследователи разработали новый подход к пониманию того, почему антибиотики успешно борются с бактериальными инфекциями.«Объединив вычислительную и крупномасштабную экспериментальную работу, мы построили модель, чтобы получить первое, базовое представление о том, как известные и неизвестные стрессы обрабатываются бактериями», — сказал ван Опийнен. «Это важно, потому что это делает его ступенькой к новому вмешательству в какой-то момент в будущем. Если мы сможем понять, как обрабатывается стресс, мы сможем придумать лучший способ выработать новый фактор стресса, чтобы сломать организм или искоренить Это."