Rezistența la antibiotice: Evoluția în acțiune?
Descoperirea antibioticelor a fost unul dintre cele mai importante progrese în medicină, îmbunătățind profund sănătatea omului. Multe infecții bacteriene (de exemplu, tuberculoză și infecții ale rănilor) care au ucis oameni deseori, au devenit tratabile, salvând milioane de vieți.
În aproximativ 15 ani după introducerea lor în anii 1930, decesele în SUA, de exemplu, au scăzut cu aproximativ 220 la 100 000 de locuitori pe an. Toate celelalte tehnologii medicale au redus decesele cu doar 20 în următorii 45 de ani.[1]
Cu toate acestea, dezvoltarea rezistenței la antibiotice amenință acest succes. La nivel global, infecțiile cauzate de bacterii rezistente la multe sau toate antibioticele disponibile în prezent sunt în creștere. Mai mult, tot mai puține companii lucrează pentru a dezvolta noi antibiotice. În 1990 erau 18 companii, în timp ce în 2011 erau doar patru.[2] Un motiv important pentru acest declin este conștientizarea faptului că rezistența apare după introducerea unui nou antibiotic și dezvoltarea altora este foarte costisitoare. Descoperirea unei noi clase de antibiotice, anunțată în 2015, a fost prima din 1987.[3]
Manualele de biologie folosite în școli și universități prezintă adesea rezistența la antibiotice ca un exemplu de „evoluție în acțiune”, presupunând că demonstrează că microbii s-ar putea transforma în microbiologi de-a lungul miliardelor de ani. Cu toate acestea, studiile asupra mecanismelor biochimice care stau la baza rezistenței arată că dezvoltarea rezistenței nu suportă astfel de schimbări evolutive „de ansamblu”. Tipurile de schimbare descoperite susțin o viziune creaționistă asupra vieții, conform căreia schimbările naturale sunt limitate și nu pot transforma un tip de organism de bază în altul.
Mecanismele rezistenței
Oamenii de știință au descoperit trei categorii generale de rezistență:
- Alterarea sau protecția țintei antibioticului;
- Restricționarea accesului medicamentului la țintă;
- Inactivarea antibioticului.
1. Alterarea sau protecția țintei
Colistina (cunoscută altfel ca polimixină E) oferă un exemplu. În organism, colistina este o moleculă încărcată pozitiv care se atașează de moleculele încărcate negativ (lipopolizaharidă sau LPS) prezente în membrana exterioară a anumitor bacterii (bacteriile Gram-negative). Această legare este un prim pas esențial în procesul de ucidere a bacteriilor.
Mutațiile dintr-o anumită bacterie împiedică producerea de LPS. Prin urmare, aceasta împiedică legarea colistinei de bacterie și, prin urmare, uciderea ei.[4]
De asemenea, există mecanisme mai complexe prin care această legare eșuează. Ionii de magneziu încărcați pozitiv – care se leagă de LPS încărcată negativ – stabilizează în mod normal membrana celulară a acestor tipuri de bacterii. Când concentrația de magneziu este scăzută, bacteriile folosesc un sistem de mascare a sarcinilor negative pentru a menține membrana stabilă. Celula are sisteme de control care reglează această mascare, pornind-o doar când este necesar.
O mutație poate deteriora sistemul de control, rezultând în pornirea continuă a sistemului de mascare. Celula nu o poate opri. Reducerea sarcinii negative expuse înseamnă că și aici antibioticul nu se poate lega de celulă și o ucide. În acest caz, celula mutantă irosește resurse atunci când sistemul nu este necesar, astfel încât bacteriile supraviețuiesc mai greu în absența antibioticului.
Oricum ai privi, mutațiile implicate întrerup o funcție existentă, mai degrabă decât să creeze un mecanism nou ce implică enzime sau proteine noi.
2. Restricționarea accesului medicamentului la țintă
Multe antibiotice trebuie preluate de bacterie pentru a o ucide. Un exemplu este fosfomicina, care ucide bacteriile blocându-le să creeze o componentă crucială a peretelui celular. Există diferite „pompe” de transport în peretele celular bacterian care transportă nutrienții în celulă. Deși acești transportori sunt foarte selectivi privind ceea ce transportă, fosfomicina este din punct de vedere structural ca unul dintre nutrienții obișnuiți pe care îi acceptă și, astfel, ajunge în celulă.
Mutațiile genelor care specifică modul în care celula creează transportorii, sau în genele regulatoare care stimulează producția lor, pot duce la lipsa transportorilor sau la transportori mai puțin eficienți. Aceasta înseamnă că puțină fosfomicină intră în celulă, sau chiar deloc. Astfel de celule sunt rezistente la fosfomicină.
Încă o dată, mutațiile distrug funcția normală a celulei; nu creează gene, proteine sau enzime noi. Departe de a fi un „model nou îmbunătățit”, celulele rezistente nu pot prelua cantitățile de substanțe alimentare care ar pătrunde în mod normal prin intermediul transportorilor care sunt acum deteriorați sau absenți. Astfel, în absența antibioticului, bacteriile susceptibile depășesc de obicei bacteriile rezistente; deci, cele rezistente cuprind doar un mic procent din populația totală de bacterii.
Pompele inverse
Multe specii de bacterii au pompe care împing lucruri precum toxinele din celulă, numite „pompe de eflux”. Acestea pot, de asemenea, pompa antibiotice din celulă, împiedicând astfel antibioticul să omoare celula. Reglarea genelor implicate în fabricarea pompelor de eflux este complexă, dar mutațiile regulatoarelor care limitează numărul de pompe pot duce la fabricarea mai multor pompe, făcând celulele rezistente la un antibiotic.
Acest mod de rezistență este deosebit de important pentru clasa de antibiotice fluorochinolone.[5] Rețineți, de asemenea, că, folosind sistemul de reglementare afectat, celulele irosesc resurse creând pompe în exces atunci când nu sunt necesare; astfel, celulele mutante sunt mai puțin apte să supraviețuiască în absența antibioticului.
În orice caz, mutațiile sunt gene „dăunătoare” pentru pompe sau sistemele care reglează producția lor. Acest lucru nu oferă suport mutațiilor care creează genele noi necesare pentru ca evoluția să treacă de la bacterii la bacteriologi.
3. Inactivarea antibioticului
Enzimele produse de o bacterie pot descompune (metaboliza) un antibiotic. De exemplu, enzimele numite β-lactamaze pot descompune penicilinele. S-ar părea că o bacterie care se confruntă cu un antibiotic și apoi dobândește o astfel de abilitate ar fi un exemplu grozav de evoluție – o enzimă nouă; o genă nouă. Cu toate acestea, în cazurile cunoscute, nu s-a observat niciodată că mecanismul de fabricare a enzimei care distruge antibioticele apare prin mutație. Deci cum a apărut?
Transfer de gene
Acum se știe că o celulă bacteriană poate dobândi capacitatea de a descompune un antibiotic dintr-o altă bacterie care este deja rezistentă.
Genele pentru o astfel de rezistență pot rezida în bucle mici de ADN numite plasmide, care sunt externe cromozomului bacterian circular unic. Aceste plasmide pot fi transferate între bacterii diferite, chiar și specii diferite.[6] Un mecanism presupune conectarea bacteriei cu plasmida rezistentă la una fără ea, printr-un tub (pilus).[7] Bacteria rezistentă copiază plasmida și „donează” o copie celei susceptibile (vedeți diagrama de mai sus).
Multe plasmide conțin mai multe gene de rezistență pentru diferite tipuri de antibiotice.
Din nou, cu această clasă de rezistență, nu sunt implicate gene noi, ci mai degrabă genele existente sunt transferate de la un tip rezistent la unul susceptibil.[8]
Afectarea sistemelor de control
Rezistența la penicilină oferă un exemplu clasic. Unele bacterii produc cantități mici de penicilinază pentru a descompune cantitățile mici de penicilină naturală din mediul lor, dar nu suficiente pentru a face față cantității date pacienților. O mutație a sistemului care limitează cantitatea de penicilinază produsă poate însemna că se produce mult mai mult, astfel încât bacteriile vor fi rezistente. Cu toate acestea, ca și în unele dintre celelalte cazuri de mai sus, în sălbăticie, aceste bacterii rezistente, care nu mai pot controla producția de penicilinază, vor fi depășite de bacteriile care nu risipesc resursele limitate pentru producția de penicilinază.
Selecție naturală?
În toate aceste cazuri, selecția naturală ar favoriza tulpinile rezistente unde este prezent mult antibiotic. Cu toate acestea, în timp ce selecția naturală explică supraviețuirea rezistenței, ea nu explică apariția rezistenței. Rezistența rezultă din modificarea (de obicei distrugerea) unui sistem existent sau transferul de gene de la cele care o au deja. Acolo unde o mutație distruge ceva, selecția naturală va tinde să elimine tulpinile rezistente în sălbăticie, dar să le favorizeze într-un mediu saturat cu antibiotice.
Concluzie
Cercetările privind rezistența la antibiotice au dezvăluit câteva exemple bune de mutații și selecție naturală care au ajutat bacteriile să se adapteze la antibioticele supraviețuitoare. Cu toate acestea, niciuna dintre descoperiri nu susține ideea că modificările accidentale ale genelor existente/ADN-ului existent (mutații) ar putea genera multe mii de gene și rețele de gene noi necesare pentru a transforma microbii în oameni, mango și balene mici. Într-adevăr, modificările studiate subliniază cât de limitate sunt mutațiile în ceea ce privește evoluția „ascendentă”.
Autor: Don Batten
Sursa: Creation.com | Antibiotic resistance: Evolution in action?
[1] Spellberg, B., The antibacterial pipeline: why it is drying up, and what must be done about it, în: Antibiotic Resistance: Implications for Global Health and Novel Intervention Strategies: Workshop Summary, National Academies Press, p. 327, 2011.
[2] Cooper, M.A. și Shlaes, D., Fix the antibiotics pipeline, Nature 472(7341):32, 2011 | doi:10.1038/472032a.
[3] Ling, L.L. și colab., A new antibiotic kills pathogens without detectable resistance, Nature 517(7535):455–459, 2015 | doi:10.1038/nature14098; antibioticul se numește teixobactin.
[4] Moffatt, J.H. și colab., Colistin resistance in Acinetobacter baumannii is mediated by complete loss of lipopolysaccharide production, Antimicrob. Agents Chemother. 54(12):4971–7, 2010 | doi: 10.1128/AAC.00834-10.
[5] Blair, J.M.A., Richmond, G.E., și Piddock, L.J.V., Multidrug efflux pumps in Gram-negative bacteria and their role in antibiotic resistance (review), Future Microbiology 9(10):1165–1177, 2014; | doi:10.2217/fmb.14.66.
[6] Există și alte moduri prin care genele de rezistență pot fi transferate, de asemenea, implicând bacteriofagi (un virus care infectează bacteriile), transpozoni și „ADN-ul liber”.
[7] Aceasta se numește „conjugare”.
[8] Evoluționiștii presupun că aceste gene (de exemplu, pentru a produce enzima de distrugere a penicilinei β-lactamaza) trebuie să fi apărut inițial prin mutație, dar această credință nu reflectă ceea ce se observă.
