„Evoluce“ rezistence na antibiotika

Daniel Criswell, Ph.D.

(Překlad z http://www.icr.org/articles/view/14/282/, přeložil M. T. – 5/2012. Vyšlo v Impact 378/prosinec 2004, http://www.icr.org/i/pdf/imp/imp-378.pdf)

Stále častější výskyt odolnosti vůči antibiotikům u bakterií od 50. let 20. století pozorujeme u všech hlavních tříd antibiotik užívaných k léčbě širokého spektra respiračních chorob, kožních afekcí i sexuálně přenosných nemocí. Pramení tahle odolnost ze skutečnosti, že se u bakterií vyvinuly jako odpověď na přítomnost antibiotik nové geny, nebo způsobí tlak prostředí, že jsou vybrány pouze takové bakterie, které už mají geny pro zmíněnou odolnost ve své genetické výbavě? Při odpovědi na tuhle otázku si probereme několik faktorů důležitých pro odolnost vůči antibiotikům a ukážeme si, že odolnost je naplánovaným znakem organizmu charakterizujícím už existující geny a umožňujícím bakteriím držet krok se zdroji antibiotik ve svém prostředí.

Z krátkého zastavení u jednoho z příkladů odolnosti vůči penicilinu poznáme, nakolik vzrostl výskyt organizmů odolných vůči antibiotikům od časů, kdy byla antibiotika zavedena do běžné terapeutické praxe. Penicilin je antibiotikum produkované běžnou plísní Penicillium (Anamorfní vřeckovýtrusná houba štětičkovec – Pozn. přek.), které bylo objeveno náhodou roku 1929 britským mikrobiologem Alexandrem Flemingem. Od 40. let 20. století bylo k dispozici pro lékařské účely a bylo úspěšně použito k léčbě infekcí u vojáků ve druhé světové válce. Pak byl penicilin běžně využíván k léčbě široké škály infekcí. Roku 1967 byl v Austrálii poprvé pozorován Streptococcus pneumoniae odolný vůči penicilinu a o sedm let později byl v USA pozorován další případ S. pneumoniae odolný vůči penicilinu, tentokrát u pacienta s pneumokokovou meningitidou (1). Roku 1980 vědci odhadovali, že 3-5% S. pneumoniae bylo odolných vůči penicilinu, a roku 1998 toto číslo činilo již 34% (1). Odolnost vůči antibiotikům u dalších mikroorganizmů vykazuje stejný trend. Odolnost vůči tetracyklinu u běžné lidské střevní mikroflóry raketově stoupla z 2% v 50. letech 20. století na 80% v letech devadesátých (2). Kanamycin, antibiotikum užívané v 50. letech 20. století, se stalo klinicky bezcenným v důsledku převahy bakterií vůči němu odolných. Růst odolnosti mezi těmito organizmy svědčí jasně o změně v četnosti výskytu genů kódujících odolnost vůči antibiotikům.

Od druhé světové války se k léčbě širokého spektra lidských i zvířecích infekcí využívá ještě mnoho dalších antibiotik izolovaných z hub (plísní) i z bakterií. Jedna skupina bakterií, Streptomyces, produkuje většinu lékařsky důležitých antibiotik (3). Streptomyces uvolňují antibiotika do půdy v rámci čehosi jako „biochemického boje“ s konkurenčními organizmy na biotopu. Tato antibiotika jsou malé molekuly, které napadají různé části buněčného mechanizmu příslušného organizmu. Chinolonová a kumarinová antibiotika produkovaná bakteriemi Streptomyces, například novobiocin, inhibují protein (enzym) zvaný gyráza, který umožňuje „zavíjení a rozvíjení“ dvouvláknové DNA během replikace či transkripci informační RNA (4). Selhání zmíněného procesu u DNA vede k vytvoření bakterie neschopné se normálně dělit či produkovat funkční proteiny. Ribozomy, struktury, ve kterých je katalyzována syntéza proteinů, jsou pak terčem mnoha dalších antibiotik získávaných z plísní Streptomyces jako třeba spectinomycinu, tetracyklinu a streptomycinu. Spectinomycin a tetracyklin brání buňce v syntéze proteinů a streptomycin navozuje v proteinu procházejícím translací syntézu nesprávných aminokyselin (5,6). A bez proteinů nutných pro správné fungování buňky buňka hyne. Malé odlišnosti mezi lidskými ribozomy, které zmíněná antibiotika neblokují, a ribozomy bakteriálními činí z těchto antibiotik ideální léky na mnoho nemocí. Další antibiotika jako třeba penicilin blokují syntézu bakteriální buněčné stěny, čímž ji oslabují a štěpí (7). Penicilin je účinným antibiotikem pro léčbu lidských nemocí, protože inhibuje biologickou složku bakterií (buněčnou stěnu), která se v lidských buňkách nevyskytuje. Tím, že produkují antibiotika, získávají tyto organizmy konkurenční výhodu oproti neodolným bakteriím ve svém prostředí. Stejně tak, jako musí vyšší organizmy jako třeba rostliny a zvířata bojovat o životní prostor, potravu a vodu, využívají tito mikrobi antibiotika k odstranění konkurenčních organizmů v boji o omezené zdroje energie.

Avšak ne všechny bakterie jsou vůči producentům antibiotik bezbranné. Mnohé z nich disponují geny, které kódují proteiny neutralizující poškození způsobená antibiotiky a bránící útokům na jejich buněčný mechanizmus. Efluxové pumpy umístěné v buněčné membráně jsou jednou z metod obrany, kterou využívá mnoho bakterií proti influxu antibiotik (6). Útočící antibiotikum je přinuceno odtéci z buňky disponující zmíněnou pumpou dříve, než může poškodit buněčný mechanizmus. Třebaže jsou možná mnohé efluxové pumpy specializovány jen na substrát, který běžně z buňky pumpují, není jejich výskyt žádnou vzácností. Ribozomální ochranné proteiny (RPP) jsou dalším zdrojem odolnosti, který bakterie využívají k tomu, aby se chránily před antibiotiky. Tyto proteiny chrání ribozomy tak, že se na ně naváží a změní tak jejich tvar či konformaci. Změna ribozomálního tvaru pak zabrání antibiotiku navázat se na příslušný protein a blokovat tak jeho syntézu (6). Ribozomy obsahující RPP jsou pak s to po dobu syntézy proteinu normálně fungovat, což je důležitým znakem téhle metody rezistence vůči antibiotikům. Některé bakterie také produkují enzymy, které neutralizují antibiotika dodáním acetylových (COCH3) či fosfátových (PO32-) skupin na konkrétní místo antibiotika /8/. Tahle modifikace omezí schopnost antibiotika navázat se na ribozomy, čímž je učiní pro buňku neškodnými (9). Zajímavé je, že všechny tři typy zmíněných genů zajišťujících odolnost vůči antibiotikům (genů kódujících efluxové pumpy, ribozomální ochranné proteiny i genů modifikujících enzymy) nalézáme u bakterií druhu Streptomyces, producentů mnoha antibiotik. Zdá se tedy, že v tomto případě jde o metodu užívanou streptomycetami k obraně před vlastními antibiotiky.

Je možné předat tyhle geny odolnosti dalším bakteriím? Jedinečnou vlastností bakterií, která nebyla prokázána u buněk rostlinných či živočišných, je právě schopnost předávat si navzájem geny – proces zvaný laterální genetický transfer. Geny umístěné na kruhovém vláknu DNA zvaném plasmid R mohou zahrnovat několik genů rezistence vůči antibiotikům. Procesem zvaným konjugace může předat bakterie odolná vůči antibiotikům geny téhle rezistence z plasmidu R bakterii neodolné (10). Ironií je, že několik genů pro antibiotickou rezistenci zjištěných u jiných patogenních bakterií se svými sekvencemi DNA velmi podobají genům zjištěným u druhu Streptomyces (11). Efluxní pumpy, kterými streptomycety vypouštějí antibiotika, aby tak zničily své konkurenty v bakteriálním světě, jsou v podstatě stejné jako pumpy, kterými nyní jiné druhy bakterií vypouštějí agresivní antibiotikum, které na ně pumpují streptomycety! Bakterie odolné vůči antibiotikům tak zřejmě získaly geny pro zmíněné efluxní pumpy laterálním genetickým transferem. Ribozomální ochranné proteiny (RPP) i enzymy modifikující antibiotika u rezistentních bakterií pocházejí patrně také ze streptomycet či z nějakého jiného mikrobu produkujícího antibiotika (6). Nezdá se, že by bakterie vyvíjely nové geny; získávají pouze již existující geny pro antibiotickou rezistenci laterálním genetickým transferem. A to právě umožňuje konkrétnímu druhu bakterie disponovat dostatečnou genetickou variabilitou, aby jí to umožnilo přizpůsobit se měnícímu se prostředí a úspěšně konkurovat svým sousedům. (Tahle metoda obrany se velmi podobá genetické variabilitě u savčích lymfocytů B produkujících protilátky – téma pro další článek v Impact). Bakterie, která získala geny pro antibiotickou rezistenci, si stále zachovává „somatické“ i metabolické vlastnosti, které ji odlišují od dalších druhů bakterií, a naopak spojují s bakteriemi svého vlastního druhu. Takže pozorovaný zvýšený výskyt bakterií odolných vůči antibiotikům má na svědomí zvýšené používání antibiotik v lékařství i v zemědělství, což vybíjí organizmy, které geny pro antibiotickou rezistenci nemají.

Antibiotická rezistence u bakterií může také vzniknout tak, že mutace ribozomu či proteinu vedou ke změně místa, na které se antibiotikum váže. Například čtyři antibiotika, o kterých jsme referovali výše, tetracyklin, streptomycin, kanamycin a spectinomycin, se váží na specifickou oblast ribozomu a účastní se syntézy proteinů. A právě mutace zřejmě mohou bránit antibiotiku navázat se na ribozom (u kanamycinu) (12) nebo umožnit ribozomu fungovat i tehdy, je-li na něj antibiotikum navázáno (streptomycin a spectinomycin) (5). Třebaže se zdá, že jsou zmíněné mutace přínosné a bakterii poskytují výhodu, vždy je to za nějakou cenu. Ribozomální mutace, i když poskytují organizmu antibiotickou rezistenci, zpomalují proces syntézy proteinů, brzdí růst, a zmenšují schopnost příslušné bakterie vyrovnat se s prostředím, kde uvedené specifické antibiotikum chybí (13,14). Navíc mutace umožňující odolnost vůči jednomu antibiotiku způsobuje zřejmě zase sníženou odolnost bakterie vůči antibiotikům jiným (15). A právě zmíněné negativní efekty jsou tím, co kreacionisté u mutací předpokládají. Mutace totiž může snad přinést výhodu v určitém prostředí, ale celková zdatnost populace příslušného druhu bakterií se sníží kvůli omezenému fungování jedné ze složek jejich biologického mechanizmu. Takže hromadění mutací nepovede ke vzniku nového druhu bakterií – povede k jejich vymření.

Odkazy

1. Doern, G.V. et al., 2001. Antimicrobial resistance among clinical isolates of
Streptococcus pneumoniae in the United States during 1999–2000, including a
comparison of resistance rates since 1994–1995. Antimicrobial Agents and
Chemotherapy 45(6)1721–1729.
2. Shoemaker, N.B. et al., 2001. Evidence for extensive resistance gene transfer
among Bacteriodes spp. and among Bacteriodes of other genera in the human
colon. Applied and Environmental Microbiology 67:561–568.
3. Tanaka, Y., and S. Omura, 1990. Metabolism and products of actinomycetes: an
introduction. Actinomycetologica 4:13–14.
4. Contreras, A., and A. Maxwell, 1992. gyrB mutations which confer coumarin
resistance also affect DNA supercoiling and ATP hydrolysis by Escherichia coli
DNA gyrase. Molecular Microbiology 6(12):1617–1624.
5. Carter, A.P. et al., 2000. Functional insights from the structure of the 30S
ribosomal subunit and its interactions with antibiotics. Nature 407:340–348.
6. Chopra, I., and M. Roberts, 2001. Tetracycline antibiotics: mode of action,
applications, molecular biology, and epidemiology of bacterial resistance.
Microbiology and Molecular Biology Reviews 65(2):232–260.
7. Garrett, R.H., and C.M. Grisham, 1999. Biochemistry 2nd ed., Saunders
College Publ., New York.
8. Wright, G.D., 1999. Aminoglycoside-modifying enzymes. Current Opinion in
Microbiology 2:499–503.
9. Llano-Sotelo, B. et al., 2002. Aminoglycosides modified by resistance enzymes
display diminished binding to the bacterial ribosomal aminoacyl-tRNA site.
Chemistry and Biology 9:455–463.
10. Campbell, N.A., and J.B. Reece, 2002. Biology 6th ed. Benjamin Cummings,
Publ. San Francisco.
11. Benveniste, R., and J. Davies, 1973. Aminoglycoside antibiotic-inactivation
enzymes in actinomycetes similar to those present in clinical isolates of
antibiotic-resistant bacteria. Proceedings of the National Academy of Sciences
USA 172:3628–3632.
12. Recht, M.I. et al., 1999. Basis for prokaryotic specificity of action of aminoglycoside
antibiotics. EMBO Journal 18(11):3133–3138.
13. Zengel, J.M. et al., 1977. Role of ribosomal protein S12 in peptide chain
elongation: analysis of pleiotropic, streptomycin-resistant mutants of Escherichia
coli. Journal of Bacteriology 129:1320–1329.
14. Gregory, S.T. et al., 2001. Streptomycin-resistant and streptomycin-dependent
mutants of the extreme thermophile Thermus thermophilus. Journal of Molecular
Biology 309:333–338.
15. Recht, M.I., and J.D. Puglisi, 2001. Aminoglycoside resistance with homogeneous
and heterogeneous populations of antibiotic-resistant ribosomes.
Antimicrobial Agents and Chemotherapy 45(9):2414–2419.

PřílohaVelikost
00513-18.5.2012-evoluce_rezistence_na_antibiotika.doc58.5 KB
Průměr: 3.3 (3 votes)

Ondra

Tož Ondro,
pěkná kůstka:-) Uvidíš koho Ti v životě Pán pošle do cesty - třeba to bude modrooká blondýna:-)
Olda
PS: Nicméně tu čokokrásku Ti přeju

george

hehe Smile

Ondra

Tohle téma patří sice úplně nikam jinam, nicméně ještě ti doplním, že ruce "musím" použít, protože jinak bych "vybouchl jako sopka".

Hahaha, to mi pripomnelo jak jsme kdysi s jednim znamym (pracoval jako ucitel) naplanovali vanocni besidku ve skole kde pusobil. Ja se chtel namaskovat za E. Johna, zatimco on za vanocniho soba se dvema ocasy. V praxi to melo vypadat tak, ze ja budu hrat na klavir a zpivat Sacrifice, Your Song, Daniel atd., zatimco on kolem me bude ladne krouzit a postupne se obnazovat s tim, ze ho prilezitostne zataham za ocas. Coz moje tehdejsi polovicka komentovala slovy "hlavne tahej za ten spravny, at se nestane, ze vybouchne a zacne strikat"... Big smile

Pieter

pokiaľ budete hľadať priateľku podľa umelohmotných vyfabrikovaných idolov možno budete bez priateľky dlhšie.

Abych to upřesnil, tak mě zajímají (přitahují) především afroameričanky, popř. asiatky. Slečna v tom videu, to byl jenom určitý příklad.

V Česku máte najkrajšie ženy na svete.

Nevím, jestli se tento názor nějak propaguje v médiích. Možná to tak je. Mně je to v celku úplně jedno. Wink

Ondra

pokiaľ budete hľadať priateľku podľa umelohmotných vyfabrikovaných idolov možno budete bez priateľky dlhšie. V Česku máte najkrajšie ženy na svete.
Ale bacha...

Ondra

Masturbace je sex s clovekem, ktereho mame na celem svete nejradeji.. Smile

Obrázek uživatele Ondra.

Minerva - dodatek

A nemůžeš použít ruce, protože by to byl hřích

Tohle téma patří sice úplně nikam jinam, nicméně ještě ti doplním, že ruce "musím" použít, protože jinak bych "vybouchl jako sopka".

Obrázek uživatele Ondra.

Šriber

Uvědomuješ si, že je to nesmysl ?
1. Ateismus není víra...
2. Velký třesk není součástí ateismu...
3. Velký třesk není výbuch ničeho ze kterého vznikl vesmír...
4. Fyzikální zákony nejsou "žádný důvod"...
5. Existuje k tomu pokračování (u které by však místo christians mělo být creationists)

Já vím Šribere a souhlasím. Já tam ten odkaz dával jenom na "pozlobení". Wink

a verze pro křesťanství, která je navíc v podstatě pravdivá...

Tvůj názor. V pohodě. Já s ním ale tak nesouhlasím...

Obrázek uživatele Ondra.

Olda

To nic Ondro. Za to Tě peklo nečeká:-) Až si najdeš ženu, budeš mít ruce na úplně jiné věci:-)

Ale až, to je právě ono.... Totiž, Oldo, moje představa mé budoucí přítelkyně (křesťanky) je něco cca na tento způsob:

KLIKNI ZDE Smile

Obrázek uživatele Šriber

Ondra

Tam jsem dávál toto

Uvědomuješ si, že je to nesmysl ?
1. Ateismus není víra...
2. Velký třesk není součástí ateismu...
3. Velký třesk není výbuch ničeho ze kterého vznikl vesmír...
4. Fyzikální zákony nejsou "žádný důvod"...
5. Existuje k tomu pokračování (u které by však místo christians mělo být creationists) a verze pro křesťanství, která je navíc v podstatě pravdivá...

"Co jste zač?", zeptal se Erich postavy zahalené tmou.
"Říkají mi Šriber", zněla odpověď.

Customize This