Otpornost na antibiotike je globalna pretnja po zdravlje. Samo u 2019, procenjuje se da je 1,3 miliona smrtnih slučajeva pripisano bakterijskim infekcijama otpornim na antibiotike širom sveta. U želji da doprinesu rešenju ovog rastućeg problema, istraživači sa Medicinskog fakulteta Bejlor proučavali su proces koji pokreće otpornost na antibiotike na molekularnom nivou.
Oni izvještavaju u časopisu Molecular Cell o ključnim i iznenađujućim prvim koracima koji promovišu otpornost na ciprofloksacin, ili skraćeno cipro, jedan od najčešće prepisivanih antibiotika. Nalazi ukazuju na potencijalne strategije koje bi mogle sprečiti bakterije da razviju rezistenciju, proširujući efikasnost novih i starih antibiotika.
„Prethodni rad u našoj laboratoriji pokazao je da kada su bakterije izložene stresnom okruženju, kao što je prisustvo cipro, one pokreću niz odgovora u pokušaju da prežive toksični efekat antibiotika“, rekao je ko-korespondentni autor dr. Suzan M. Rozenberg, katedra Ben F. Love za istraživanje raka i profesor molekularne i ljudske genetike, biohemije i molekularne biologije i molekularne virologije i mikrobiologije u Bejloru. Takođe je vođa programa u Bailor-ovom Sveobuhvatnom centru za rak Dan L Duncan (DLDCCC).
„Otkrili smo da cipro pokreće ćelijske stresne reakcije koje promovišu mutacije. Ovaj fenomen, poznat kao mutageneza izazvana stresom, generiše mutantne bakterije, od kojih su neke otporne na cipro. Mutanti otporni na cipro nastavljaju da rastu, održavajući infekciju koja više ne može biti eliminisan cipro-om.“
Cipro indukuje prekide u molekulu DNK, koji se akumuliraju unutar bakterija i posledično pokreću odgovor na oštećenje DNK kako bi se popravili prekidi. Otkrića Rosenberg laboratorije o koracima uključenim u mutagenezu izazvanu stresom otkrila su da su dva odgovora na stres od suštinskog značaja: opšti odgovor na stres i odgovor na oštećenje DNK.
Rozenbergova laboratorija i njene kolege ranije su otkrile neke od nizvodnih koraka procesa koji dovode do povećane mutageneze. U ovoj studiji, istraživači su otkrili molekularne mehanizme prvih koraka između antibiotika koji izaziva lomljenje DNK i bakterija koje uključuju odgovor na oštećenje DNK.
„Bili smo iznenađeni kada smo pronašli neočekivani molekul uključen u modulaciju popravke DNK“, rekao je prvi autor dr Jin Zhai, postdoktorski saradnik u laboratoriji Rozenberg. „Obično ćelije regulišu svoje aktivnosti tako što proizvode specifične proteine koji posreduju u željenoj funkciji. Ali u ovom slučaju, prvi korak da se uključi odgovor na popravku DNK nije bio aktiviranje određenih gena koji proizvode određene proteine.“
Umesto toga, prvi korak se sastojao od ometanja aktivnosti proteina koji je već prisutan, RNK polimeraze. RNK polimeraza je ključna za sintezu proteina. Ovaj enzim se vezuje za DNK i transkribuje instrukcije kodirane DNK u RNK sekvencu, koja se zatim prevodi u protein.
„Otkrili smo da RNK polimeraza takođe igra glavnu ulogu u regulisanju popravke DNK“, rekao je Zhai. „Mali molekul nazvan nukleotid ppGpp, koji je prisutan u bakterijama izloženim stresnom okruženju, vezuje se za RNK polimerazu preko dva odvojena mesta koja su neophodna za uključivanje odgovora na popravku i opšteg odgovora na stres. Ometanje jednog od ovih mesta se isključuje Popravka DNK posebno na DNK sekvencama koje zauzima RNK polimeraza.“
„ppGpp se vezuje za DNK vezanu RNK polimerazu, govoreći joj da se zaustavi i povuče duž DNK da bi je popravio“, rekao je ko-korespondent dr Kristof Herman, profesor molekularne i ljudske genetike, molekularne virologije i mikrobiologije i član DLDCCCC . Laboratorija Herman je ranije pronašla vezu popravke-RNA-polimeraze, objavljeno u Nature-u.
Rozenbergova laboratorija je otkrila da popravka DNK može biti proces sklon greškama. Kako popravka slomljenih lanaca DNK napreduje, javljaju se greške koje menjaju originalnu sekvencu DNK i izazivaju mutacije. Neke od ovih mutacija će dati otpornost bakterijama na cipro. „Zanimljivo je da mutacije takođe izazivaju otpornost na dva druga antibiotska leka koje bakterije ranije nisu videle“, rekao je Zhai.
„Uzbuđeni smo zbog ovih nalaza“, rekao je Rozenberg. „Oni otvaraju nove mogućnosti za dizajniranje strategija koje bi ometale razvoj rezistencije na antibiotike i pomogle da preokrenu tok ove globalne zdravstvene pretnje. Takođe, cipro razbija bakterijsku DNK na isti način na koji lek protiv raka etopozid razbija ljudsku DNK u tumorima Nadamo se da bi ovo moglo dodatno dovesti do novih alata za borbu protiv otpornosti na hemoterapiju raka.“
