Ученые выяснили, какие гены и свойства бактерий помогают им объединяться в устойчивые к антибиотикам биопленки

Сотрудники Уральского федерального аграрного научно-исследовательского центра УрО РАН (Екатеринбург) и Омского государственного аграрного университета им. П.А. Столыпин выявили генетические и фенотипические (внешние) особенности бактерий, связанные с их способностью формировать устойчивые к антибиотикам биоплёнки.

Исследователи изучили бактерии, вызывающие заболевания у сельскохозяйственных животных, и показали: микроорганизмы с определёнными генами и высокой способностью к образованию биоплёнок значительно хуже поддаются действию лекарств. Полученные данные помогут точнее выявлять потенциально опасные штаммы и разрабатывать новые подходы к борьбе с устойчивыми инфекциями в животноводстве. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале «Аграрный вестник Урала»​.

Для лечения сельскохозяйственных животных ветеринарные специалисты часто используют антибиотики. Бесконтрольное применение таких препаратов приводит к тому, что бактерии теряют к ним чувствительность — они «находят» молекулярные механизмы для обезвреживания и выведения этих молекул из клетки. Более того, многие бактерии способны объединяться в сложные сообщества — биоплёнки, — в которых они покрыты защитной слизью. Биоплёнки часто формируются на поверхностях доильных аппаратов, поилок и другого оборудования, и это приводит к постоянному распространению инфекций среди сельскохозяйственных животных. При этом, хотя и было известно, что биоплёнки повышают устойчивость микроорганизмов к действию лекарств, до сих пор оставалось не до конца понятно, какие именно генетические механизмы лежат в основе формирования нечувствительных к антибиотикам бактериальных сообществ и насколько выраженность (толщина и прочность) биопленок связана с лекарственной устойчивостью.

Исследователи из Омска и Екатеринбурга выяснили, какие гены-маркеры и свойства самих бактерий определяют формирование устойчивых биоплёнок у болезнетворных микроорганизмов, поражающих крупный рогатый скот и свиней.

Авторы исследовали бактерии кишечной палочки и стафилококка — широко распространённые виды, вызывающие у сельскохозяйственных животных воспаление молочных желез и кишечника, а также другие болезни. Специалисты собрали образцы микроорганизмов со слизистых крупного рогатого скота и свиней, а также с поверхностей технологического оборудования в животноводческих хозяйствах.

В первую очередь специалисты оценили, как быстро бактерии образуют биоплёнки, находясь в питательной среде, а также исследовали свойства — толщину и прочность — формируемых сообществ. Кроме того, авторы провели молекулярно-генетический анализ ключевых генов, связанных с образованием внеклеточного матрикса — «каркаса» для построения биоплёнок. У кишечной палочки исследователи оценили наличие генов csgD, fliA и bcsA, а у стафилококка — icaD, fnbB и clfB. Параллельно авторы проверили чувствительность микроорганизмов к четырём популярным антибиотикам. Это позволило установить, какие именно гены определяют способность бактерий активно образовывать биоплёнки и благодаря этому терять чувствительность к антибактериальным препаратам.

Эксперименты показали: бактерии, имеющие гены csgD, fliA и bcsA (в случае кишечной палочки) и icaD, fnbB и clfB (в случае стафилококка) и активно синтезирующие внеклеточный матрикс, а потому образующие более плотные и прочные биоплёнки, имели повышенную устойчивость к действию антибактериальных препаратов. Так, например, стафилококки, формирующие толстые и прочные скопления, оказались на 37–53 % менее чувствительны ко всем тестируемым антибиотикам.

Проведённое исследование существенно расширяет понимание молекулярных и фенотипических механизмов, связывающих образование биоплёнок с развитием лекарственной устойчивости у бактерий, распространённых в животноводстве.

«Полученные данные будут полезны для сотрудников ветеринарных служб и сельскохозяйственных предприятий, поскольку они позволят разрабатывать эффективные стратегии контроля инфекций, не поддающихся лечению с помощью существующих антибиотиков. Такой контроль поможет уменьшить риск распространения устойчивых бактерий среди животных и человека и повысить безопасность продуктов животного происхождения, эффективно развивать сельское хозяйство. В дальнейшем мы планируем расширить исследования в области разработки новых подходов к диагностике и профилактике инфекций в животноводстве, ассоциированных с образованием биоплёнок», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Игорь Антоневский, кандидат ветеринарных наук, ассистент кафедры ветеринарной микробиологии, инфекционных и инвазионных болезней факультета ветеринарной медицины ИВМиБ Омского ГАУ. От Уральского НИВИ ФГБНУ УрФАНИЦ УрО РАН над проектом работают ведущий научный сотрудник, доктор ветеринарных наук Ольга Соколова, старший научный сотрудник, кандидат ветеринарных наук Наталья Безбородова и старший научный сотрудник, кандидат ветеринарных наук Владлена Зубарева.

По информации пресс-службы РНФ