Wissenschaftler entdecken überraschende Wendungen in der Art und Weise, wie Bakterien Antibiotika-Resistenzgene verbreiten

Wissenschaftler haben eine kontraintuitive Falte in der Art und Weise entdeckt, wie Bakterien antibiotikaresistente Gene über kleine kreisförmige DNA-Stücke, sogenannte Plasmide, verbreiten.

Plasmide, die in Bakterien und einigen anderen Mikroorganismen vorkommen, sind physisch von der chromosomalen DNA getrennt und können sich selbstständig vermehren. Bakterien können Plasmide von anderen Bakterienzellen oder von Viren erwerben, und wenn sich Plasmide anhäufen, verleihen sie den Bakterien eine Antibiotikaresistenz.

Einige Plasmide können Bakterien jedoch leichter erwerben als andere. Was sorgt dafür, dass sich diese Plasmide leichter verbreiten?

Während der gesunde Menschenverstand vermuten lässt, dass Plasmide, die sich am leichtesten verbreiten, diejenigen sind, die es Bakterien ermöglichen, am schnellsten zu wachsen, a neue Studie In Naturkommunikationunter der Leitung von Allison Lopatkin, Assistenzprofessorin für Chemieingenieurwesen an der Universität Rochester, skizziert den überraschenden evolutionären Kompromiss zwischen Verzögerungszeit und Wachstumsrate.

Der schnelle Erwerb von Plasmiden ist mit Kosten verbunden

„Man könnte meinen, dass etwas, das schneller wachsen kann, immer besser abschneidet, aber wir haben herausgefunden, dass das nicht stimmt, weil sich die Anschaffungskosten eher in einer Verzögerung als in einer Wachstumsrate manifestieren“, sagt Lopatkin. „Es hat etwas länger gedauert, bis sich das Plasmid etabliert hat, was letztendlich dazu beigetragen hat, dass sich das Gen schneller verbreitet hat.“

Lopatkin und ihr Team untersuchten die Wachstumsraten einzelner Bakterienkolonien unmittelbar nach der Plasmidgewinnung. Unter fast 60 Bedingungen, die verschiedene Plasmide, Selektionsumgebungen und klinische Stämme abdeckten, stellten sie fest, dass Plasmide mit mittleren Kosten sowohl ihre kostengünstigen als auch ihre teuren Gegenstücke übertreffen.

Die Forschung zeigt, dass die Kosten für Plasmide komplexer sind als bisher angenommen und ist ein Schritt zu einem besseren Verständnis, warum bestimmte Arten von Krankheitserregern besser an Plasmide gelangen als andere. Wenn Wissenschaftler verstehen, wodurch die Kosten für den Erwerb eines Plasmids gesteuert werden, können sie diese Informationen möglicherweise nutzen, um die Ausbreitung antibiotikaresistenter Gene einzudämmen.

„Wir betrachten den horizontalen Gentransfer als ein technisches Instrument, um zu kontrollieren, wie sich Gene ausbreiten und die Interaktion von Bakteriengemeinschaften unterstützen können“, sagt Lopatkin. „Durch das Verständnis der einzelnen Teile hoffen wir, nicht nur Dinge wie Antibiotikaresistenzen bekämpfen zu können, sondern auch Plasmide zu verwenden, um Gene zu liefern, die natürlichen Bakterien helfen können, Öl aus Ölverschmutzungen abzubauen. Es gibt viele Anwendungen, für die Mikrobiome nützlich sein können.“ “

Lopatkin und ihr Labor planen, die zugrunde liegenden genetischen und umweltbedingten Bedingungen, die erfolgreich zum horizontalen Gentransfer führen, weiter zu untersuchen. Lopatkins Team wird Computermodelle, Bioinformatik und mechanistische Experimente nutzen, um die molekularen Faktoren zu untersuchen, die die Bildung neuer Stamm-Plasmid-Kombinationen begünstigen.

„Letztendlich hoffen wir, einen risikoreichen Gentransfer vorhersagen zu können, bevor er stattfindet, und uns so die Erforschung neuer Kontroll- und Behandlungsstrategien zu ermöglichen“, sagt Lopatkin.