Mikrobiomforskning avslöjar ny form av antibiotikatolerans

Antibiotika kan underlätta infektioner. Men hur påverkar de de komplexa ekosystemen av vänliga bakterier som utgör vårt mikrobiom?

"När en läkare ordinerar antibiotika, det skapar ett mångfacetterat experiment i ditt mag-tarmsystem, "förklarar Carnegies Will Ludington" Vad kan detta lära oss om de molekylära principerna för artinteraktioner i naturen? "

Nytt arbete ledt av Ludington och Stanford Universitys K.C. Huang gav sig ut för att svara på denna utmanande fråga och upptäckte en ny form av antibiotikatolerans. Deras fynd, som har viktiga hälsokonsekvenser, publiceras av eLife .

Detta är en av flera forskningsfronter där Ludington använder fruktflugans mikrobiom för att förstå interaktioner mellan arter i ett bakteriesamhälle. Det utgör en idealisk miljö för undersökning av både naturliga bakteriepopulationer och det mänskliga mikrobiomet.

Det mänskliga mikrobiomet är ett ekosystem med hundratals till tusentals mikrobiella arter som lever i våra tarmar. Det påverkar vår hälsa och till och med vår livslängd. Men det är svårt att belysa de otaliga sätten som de olika arterna som består av vårt mikrobiom interagerar med och påverkar varandra, även under normala förhållanden. När antibiotika väl införts, lite förstås om hur dessa vitala samhällen påverkas på en biokemisk nivå.

Det är därför fruktflugan gör en så utmärkt modell. Till skillnad från det mänskliga mikrobiomet, den består bara av en handfull bakteriearter.

Vi ville verkligen förstå hur ett antibiotikas inriktning på specifika fysiologiska processer påverkar de metaboliska interaktionerna och resursdelningen som uppstår mellan bakteriearter inom ett samhälle. Detta är särskilt viktigt eftersom bakterier i naturen lever i olika samhällen. "

Andrés Aranda-Díaz, huvudförfattare från Stanford University

Enkelheten hos fruktflugans mikrobiom gör den till det perfekta verktyget för att avslöja hur detta biokemiska samspel mellan flera arter förändras genom introduktionen av antibiotika.

"Vi fann att interaktioner mellan arter i tarmmikrobiomets ekosystem påverkar effektiviteten av antibiotika för att döda en enskild art inom denna gemenskap, liksom hela samhällets ämnesomsättning, sa Huang.

Forskarna visade att när en typ av bakterie från fruktflugan mikrobiom, kallas Lactobacillus-som också finns i yoghurt-odlas tillsammans med en vinägerproducerande flugbakterie som heter Acetobacter, det är mindre mottagligt för döden av antibiotika.

Detta är en nyfunnen kategori av ett fenomen som kallas antibiotikatolerans, vilket betyder att celler dör mycket långsammare när de hittas tillsammans än de skulle göra på egen hand. Tolerans kan vara farlig, eftersom denna fördröjning ökar risken för att full resistens mot antibiotikumet kan utvecklas.

"I vanliga fall, tolerans uppstår när en cell sänker sin ämnesomsättning som svar på exponering för antibiotika, "förklarade Ludington." Men i det här fallet, toleransen är faktiskt förknippad med ökad metabolism. "

Det visar sig att Acetobacters förbrukar mjölksyran som utsöndras som en avfallsprodukt av närliggande Lactobacillus, ge en fitnessfördel för båda arterna och utlösa den tolerans teamet upptäckte.

"Vi vet inte exakt hur det händer än, men vi tror att de två bakteriearterna båda "vet" när den andra celltypen är där och svarar på lämpligt sätt, "sade Benjamin Obadia från UC Berkeley." Dessa mekanismer har förmodligen utvecklats från att leva tillsammans, och vi skulle inte ha sett dem om vi studerade de två arterna isolerat. "

Teamets arbete visar att mikrobiomen kan vara ett viktigt verktyg för att förstå relationerna inom bakteriesamhällen i den naturliga världen på en biokemisk nivå.

"Det illustrerar också att tarmmikrobiomens hälsa bör övervägas närhelst antibiotika föreskrivs, "tillade Ludington.

Att studera principerna för interaktioner mellan arter och arter är nyckeln till att förstå så mycket om stora och små ekosystem och mikrobiomet är ett kritiskt verktyg för att utforska dessa frågor.

Ett annat nyligen publicerat samarbete mellan Ludington, Huang, och en annan Stanford-forskare-biolog Lucy O'Brien-utvecklade ny teknik för att visualisera tarmen hos levande fruktflugor. Kallas Bellymount, det tillät dem att observera enskilda bakterieceller i tarmen hos en levande fruktfluga för första gången.

"Genom att observera mikrobiomet i realtid, vi kunde mäta dess dynamik, "sa Ludington om deras tidning, som dök upp i PLOS Biology.

Forskargruppen fann att specifika områden i tarmen har hög mikrobiomstabilitet och andra har kontinuerlig omsättning. Detta indikerar att det finns strukturer i fruktflugans tarm som upprätthåller koloniseringen och öppnar dörren till möjligheten att fruktflugor kan ha utvecklat dessa strukturer för att behålla sina mikrobiomer.

"Nu har vi makten att faktiskt avlyssna" samtalen "mellan mikrobiombakterier, och tarmcellerna i deras omgivande miljö, sa Huang

• Gastrointestinala manifestationer och fekal-oral överföring av nytt coronavirus
• Forskare hittar tidigare okänt svar inom tarmmikrobiom