Biomedische ingenieurs van Duke University geloven dat ze het fysieke mechanisme hebben ontdekt dat hoge doses antibiotica veroorzaakt om de verspreiding van antibioticaresistentie tussen bacteriën te bevorderen.
De boosdoener, zeggen ze, is een overvloed aan ‘springende genen’, transposons genaamd, die de genetische instructies voor resistentie dragen van de broncode van de cel naar plasmiden die tussen cellen pendelen.
De resultaten verschenen op 28 maart online in het tijdschrift Nature Ecology & Evolution.
“Er is veel bewijs dat suggereert dat menselijke pathogenen waarschijnlijk antibioticaresistentie oppikken van andere soorten die in de natuurlijke omgeving leven”, zegt Lingchong You, hoogleraar biomedische technologie aan Duke. “Intuïtief is het logisch dat hoge niveaus van antibiotica in deze omgevingen het springen van resistentiegenen van chromosomen naar plasmiden vergemakkelijken, zodat ze zich kunnen verspreiden, maar het onderliggende mechanisme is nooit direct getest. Dat is waar ons werk van pas komt.”
Het is geen geheim dat de toename van antibioticaresistentie bij menselijke pathogenen samenviel met de toename van het gebruik van antibiotica in grootschalige industriële activiteiten zoals landbouw en productie. Hoewel de genen die voor resistentie zorgen relatief nieuw lijken te zijn voor deze ziekteverwekkers, dateren sommige van miljoenen jaren geleden in bacteriën die in bepaalde wilde ecosystemen leven. In combinatie met experimenten die aantonen dat hoge niveaus van antibiotica de verspreiding van resistentie zowel binnen als tussen bacteriesoorten bevorderen, is het gemakkelijk om de conclusie te trekken dat menselijke pathogenen deze resistentiegenen uit de omgeving hebben verkregen vanwege de toenemende antibioticaniveaus in de omgeving.
Hoewel de oorzaak en het gevolg duidelijk lijken, heeft onderzoek nooit de onderliggende mechanismen definitief vastgesteld, zei u. Wetenschappers weten dat kleine, vrij zwevende bundels DNA, plasmiden genaamd, resistentiegenen tussen cellen dragen. Je eigen onderzoek heeft echter aangetoond dat de aanwezigheid van antibiotica de snelheid waarmee plasmiden deze gen-swaps uitvoeren niet verhoogt. Wat is dan, zo vroegen de onderzoekers, de fundamentele kracht die deze natuurlijke selectie aandrijft?
advertentie
In het nieuwe artikel laten You en zijn postdoc Yi Yao zien dat dit mysterieuze mechanisme de door antibiotica gemedieerde selectie op ‘springende genen’, transposons genaamd, zou kunnen zijn, die de resistentiegenen van de chromosomen van de cel naar de plasmiden dragen.
“Yi’s experimenten zijn ontworpen om dit mogelijke pad te testen dat verklaart hoe verschillende pathogenen daadwerkelijk resistentie krijgen van soorten uit de omgeving,” zei You. “En hij toonde aan dat dit niet alleen mogelijk is, het is ook zeer waarschijnlijk.”
Transposons zijn kleine stukjes DNA die constant rond de binnenkant van een cel springen. Ze kunnen van plaats naar plaats springen in de centrale genetische database van een cel, en ze kunnen van de database van het DNA naar de grotere plasmiden springen die in staat zijn om tussen cellen te reizen, of vice versa. Dit kan leiden tot chromosomen of plasmiden die veel kopieën van dezelfde genetische blauwdrukken bevatten.
In een reeks experimenten stelde Yao cellen die resistent zijn tegen verschillende soorten antibiotica bloot aan een reeks concentraties van dat antibioticum. Naarmate de concentratie toenam, kwam er steevast een punt waarop de cellen met plasmiden met meer kopieën van de resistentiegenen hun leeftijdsgenoten begonnen te overtreffen.
‘Alle rondingen zagen er bijna precies hetzelfde uit,’ zei je. “Het is eigenlijk verrassend hoe robuust de trend is.”
De onderzoekers zeggen dat het aantal kopieën van transposons op de plasmiden van invloed is op het aantal antibioticaresistentie-eiwitten dat de cel produceert. Die productie brengt energiekosten met zich mee, en pas als de hoeveelheid antibiotica een bepaald niveau bereikt, is de extra verbruikte energie een waardevolle eigenschap om mee te nemen.
advertentie
Het is echter niet duidelijk of de hogere niveaus van antibiotica er direct voor zorgen dat de resistentietransposons in deze cellen actiever worden. Het toont eerder aan dat als het transposon-springen al plaatsvindt, antibioticaselectie altijd de populatie zou verrijken die resistentiegenen bevat die naar plasmiden zijn gesprongen.
De niveaus van antibiotica die nodig zijn om deze selectie te starten, zeggen de onderzoekers, variëren sterk tussen soort en de specifieke medicijnen in kwestie. Maar dit bereik is niet ongewoon in de huidige natuurlijke omgevingen, wat mogelijk de druk biedt die menselijke pathogenen nodig hebben om de resistentiegenen met meer regelmaat op te pikken.
“We zijn nu bezig om te bewijzen dat deze dynamiek actief plaatsvindt in echte omgevingen zoals ziekenhuizen en niet alleen in een petrischaal,” zei You. “We willen ook zien of we deze kennis kunnen gebruiken om selectief de stroom van genen in te schakelen om bacteriën die zijn ontwikkeld voor industrieel gebruik te optimaliseren.”
Dit werk werd ondersteund door de National Institutes of Health (R01A1125604, R01GM110494, R01EB029466), de National Science Foundation (MCB-1937259) en de David en Lucile Packard Foundation.
Verhaalbron:
Materialen geleverd door Duke universiteit. Origineel geschreven door Ken Kingery. Opmerking: inhoud kan worden bewerkt voor stijl en lengte.
lees het gehele artikel bij de bron
Samenvatting: Biomedische ingenieurs denken dat ze het fysieke mechanisme hebben ontdekt dat ervoor zorgt dat hoge doses antibiotica de verspreiding van antibioticaresistentie tussen bacteriën bevorderen. De boosdoener, zeggen ze, is een overvloed aan ‘springende genen’, transposons genaamd, die de genetische instructies voor resistentie dragen van de broncode van de cel naar plasmiden die tussen cellen pendelen.
Datum van publicatie: 16 april 2022
Bron: Wetenschap | Al het topnieuws — ScienceDaily