Mikrobiomforskning avdekker ny form for antibiotikatoleranse

Antibiotika kan gjøre arbeidet med infeksjoner enkelt. Men hvordan påvirker de de komplekse økosystemene til vennlige bakterier som utgjør mikrobiomet vårt?

"Når en lege foreskriver antibiotika, det setter opp et mangefasettert eksperiment i mage-tarmsystemet, "forklarer Carnegies Will Ludington" Hva kan dette lære oss om de molekylære prinsippene for artsinteraksjoner i naturen? "

Nytt arbeid ledet av Ludington og Stanford Universitys K.C. Huang satte seg for å svare på dette utfordrende spørsmålet og oppdaget en ny form for antibiotikatoleranse. Funnene deres, som har viktige helsemessige konsekvenser, blir utgitt av eLife .

Dette er en av flere forskningsfronter som Ludington bruker fruktfluemikrobiomet på for å forstå interaksjoner mellom arter i et bakteriesamfunn. Det utgjør et ideelt miljø for undersøkelse av både naturlige bakteriepopulasjoner og det menneskelige mikrobiomet.

Det menneskelige mikrobiomet er et økosystem av hundrevis til tusenvis av mikrobielle arter som lever i tarmene våre. Det påvirker vår helse og til og med levetiden vår. Men det er vanskelig å belyse de utallige måtene de forskjellige artene som består av mikrobiomet vårt interagerer med og påvirker hverandre, selv under normale forhold. Når antibiotika er introdusert, lite er forstått om hvordan disse vitale samfunnene påvirkes på et biokjemisk nivå.

Dette er grunnen til at fruktflua gjør en så utmerket modell. I motsetning til det menneskelige mikrobiomet, den består av bare en håndfull bakteriearter.

Vi ønsket virkelig å forstå hvordan et antibiotikas målretting av spesifikke fysiologiske prosesser påvirker de metabolske interaksjonene og delingen av ressurser som oppstår mellom bakteriearter i et samfunn. Dette er spesielt viktig fordi bakterier i naturen lever i forskjellige samfunn. "

Andrés Aranda-Díaz, hovedforfatter fra Stanford University

Enkelheten i fruktfluemikrobiomet gjør det til et perfekt redskap for å avsløre hvordan dette biokjemiske samspillet mellom flere arter endres ved introduksjon av antibiotika.

"Vi fant at interaksjoner mellom arter i tarmmikrobiomets økosystem påvirker effektiviteten av antibiotika for å drepe en enkelt art i dette samfunnet, så vel som hele samfunnets metabolisme, "sa Huang.

Forskerne demonstrerte at når en type bakterie fra fruktfluemikrobiomet, kalt Lactobacillus-som også finnes i yoghurt-dyrkes sammen med en eddikproduserende fluebakterie kalt Acetobacter, det er mindre utsatt for død av antibiotika.

Dette er en nyfunnet kategori av et fenomen som kalles antibiotikatoleranse, betyr at celler dør mye saktere når de blir funnet sammen enn de ville gjort alene. Toleranse kan være farlig, fordi denne forsinkelsen øker risikoen for at full resistens mot antibiotika kan utvikle seg.

"Normalt, toleranse oppstår når en celle reduserer stoffskiftet som respons på eksponering mot antibiotika, "forklarte Ludington." Men i dette tilfellet, toleransen er faktisk forbundet med økt metabolisme. "

Det viser seg at Acetobacters forbruker melkesyren som skilles ut som et avfallsprodukt av nabo Lactobacillus, gir en treningsfordel til begge artene og utløser toleransen teamet oppdaget.

"Vi vet ikke nøyaktig hvordan det skjer ennå, men vi tror at de to bakterieartene begge 'vet' når den andre celletypen er der og reagerer hensiktsmessig, "sa Benjamin Obadia fra UC Berkeley." Disse mekanismene er sannsynligvis utviklet fra å leve sammen, og vi ville ikke ha sett dem hvis vi studerte de to artene isolert. "

Teamets arbeid viser at mikrobiomet kan være et viktig verktøy for å forstå forholdet mellom bakteriesamfunn i den naturlige verden på et biokjemisk nivå.

"Det illustrerer også at tarmmikrobiomets helse bør vurderes når antibiotika er foreskrevet, "la Ludington til.

Å studere prinsippene for samhandling mellom arter og arter er nøkkelen til å forstå så mye om store og små økosystemer, og mikrobiomet er et kritisk verktøy for å utforske disse spørsmålene.

Et annet nylig publisert samarbeid mellom Ludington, Huang, og en annen Stanford-forsker-biolog Lucy O'Brien-utviklet ny teknologi for å visualisere tarmen til levende fruktfluer. Kalt Bellymount, det tillot dem å observere individuelle bakterieceller i tarmen til en levende fruktflue for første gang.

"Ved å observere mikrobiomet i sanntid, vi var i stand til å måle dynamikken, "sa Ludington om avisen deres, som dukket opp i PLOS Biology.

Forskerteamet fant at bestemte områder i tarmen har høy mikrobiomstabilitet og andre har kontinuerlig omsetning. Dette indikerer at det er strukturer i fruktfluktarmen som opprettholder kolonisering og åpner døren for muligheten for at fruktfluer kan ha utviklet disse strukturene for å beholde mikrobiomene sine.

"Nå har vi makt til å faktisk avlytte" samtalene "mellom mikrobiombakterier, og tarmcellene i omgivelsene rundt, "sa Huang

• Gastrointestinale manifestasjoner og fekal-oral overføring av nytt koronavirus
• Forskere finner tidligere ukjent respons i tarmmikrobiomet