Bakteerien kyky vastustaa antibiootteja kehittyy hitaammin, jos ne joutuvat puolustautumaan samanaikaisesti kahta uhkaa vastaan

Tauteja aiheuttavat bakteerit voivat kehittää vastustuskyvyn antibiooteille hämmästyttävän nopeasti. Mutta jos bakteeri joutuu torjumaan saalistajaa samaan aikaan, kun se altistuu antibiootille, antibioottiresistenssin kehittyminen hidastuu.

Ehkä meidän pitäisi sääliä näitä Pseudomonas fluorescens -bakteereja. Joutua nyt lillumaan nesteessä, joka sisältää antibioottia – ainetta, joka voi estää niiden kasvun tai jopa tappaa ne. Eikä siinä vielä kaikki. Samassa nesteessä liikkuu myös petoja, jotka nauttisivat ne mielellään ateriakseen.

Tavallisesti P. fluorescens kykenee kehittämään itselleen kyvyn vastustaa antibiootteja hämmästyttävän nopeasti, aivan kuten monet muutkin bakteerit. Bakteerin geeneissä saattaa tapahtua muutoksia tai se saattaa napata itselleen vastustuskyvyn tuovan geenin toiselta bakteerilta.

Yleensä bakteerit pystyvät myös suojautumaan saalistajilta eri tavoin, esimerkiksi liimautumalla yhteen isoiksi ryhmiksi, joita saalistajan on vaikea syödä.

Kahden rintaman taistelu on kuitenkin osoittautumassa liian raskaaksi tälle bakteerijoukolle. Sekä niiden kyky kehittää vastustuskyky antibiooteille – siis saavuttaa antibioottiresistenssi – että niiden taito välttää saalistajia ovat hidastuneet.

Vaikka bakteerien ahdinko saattaa surettaa, ihmisen näkökulmasta tilannetta voi pitää erinomaisena. Antibioottiresistenssi kun on yksi maailman suurimmista terveysuhista.

Monet mikrobit pystyvät kehittämään nopeasti uusia torjuntamekanismeja saalistajia vastaan. Hiltusen ryhmän käyttämän bakteeri−ripsieläin-mallin lisäksi ekologian ja evoluution vuorovaikutusta on tutkittu runsaasti myös planktonyhteisöillä. Videossa eläinplankton (Brachionus calyciflorus -rataseläin) syö kasviplanktonia (Chlamydomonas reinhardii -viherlevä). Lyhyessä ajassa kasviplankton kehittää solukasautumia, jotka tekevät siitä eläinplanktonin kannalta syömäkelvotonta, mikä puolestaan vaikuttaa dramaattisesti näiden kahden lajin ekologiseen kanssakäymiseen. Video: Lutz Becks

Ympäristöön ja geeneihin liittyvät kehityskulut yhteydessä 

– Antibioottiresistenssin evoluutiota on tutkittu paljon laboratorio-oloissa, sanoo mikrobiekologi Teppo Hiltunen Helsingin yliopistosta.

– Yleensä nämä tutkimukset ovat kuitenkin suoritettu hyvin yksinkertaisissa olosuhteissa. Bakteerit on altistettu vain yhdelle uhalle kerrallaan: antibiooteille. Tosielämässä bakteerit elävät kuitenkin ympäristöissä ja yhteisöissä, joihin kuuluu paljon erilaisia eliöitä ja joissa vastassa on yhtä aikaa monta eri uhkaa.

Juuri siksi Hiltunen ja hänen kollegansa evoluutiobiologiaan erikoistuneesta Max Planck -instituutista Saksan Plönissä sekä Jyväskylän yliopistosta suorittivat kokeen, jossa bakteerit altistettiin samanaikaisesti kahdelle uhalle. Näin koe saatiin vastaamaan paremmin luonnon olosuhteita.

Viisi vuotta kestäneen tutkimuksen tulokset on nyt julkaistu Nature Ecology and Evolution -tiedelehdessä. Tutkijakonsortio havaitsi, että bakteerien joutuessa taistelemaan kahta uhkaa vastaan samaan aikaan niiden kyky kehittää keinoja uhkien torjumiseen hidastuu verrattuna tilanteeseen, jossa ratkaistavana on vain yksi ongelma.

Tutkimustulosta ei ehkä voi suoraan soveltaa antibioottiresistenttien bakteerien nujertamiseen, mutta se tarjoaa tärkeää tietoa siitä, miten yhtäältä ekologiset eli ympäristöön liittyvät ja toisaalta evoluutioon eli geeneihin liittyvät kehityskulut ovat yhteydessä toisiinsa ja tekevät evoluutiosta monimutkaisempaa kuin tällä hetkellä ymmärrämme.

Antibioottiresistenssi jo yhdessätoista päivässä

Bakteerit ovat selviytymisen mestareita. Ne pystyvät sopeutumaan erilaisiin oloihin ja kehittämään kyvyn torjua tuholaismyrkkyjen tai saalistajien kaltaisia uhkia nopeasti. Yksi bakteerien päävihollisista ovat antibiootit, laajasti käytetty lääkeryhmä, jolla hoidetaan ihmisten bakteeri-infektioita ja edistetään eläinten kasvua ja terveyttä.

Antibioottiresistenssin lisääntymistä pidetään yhtenä pahimmista ihmisten terveyteen kohdistuvista uusista uhista. On arvioitu, että antibiooteille ja muille lääkkeille vastustuskykyiset bakteerit ja muut mikrobit aiheuttavat vuoteen 2050 mennessä enemmän kuolemia kuin syövät, kun infektioiden hoito vaikeutuu tai jopa muuttuu mahdottomaksi.

Hyvä esimerkki bakteerien muuntautumiskyvystä nähdään Harvardin yliopiston lääketieteellisen tiedekunnan tutkijaryhmän kuvaamassa kokeessa. Tutkijat jakoivat suurikokoisen petrimaljan kymmeneen alueeseen, jotka kaikki täytettiin agar-agarilla eli mikrobiologisissa kokeissa käytetyllä hyytelömäisellä aineella. Kullakin alueella oli eri määrä antibioottia niin, että antibiootin pitoisuus kasvoi tasaisesti siirryttäessä reunoilta kohti keskipistettä.

Maljan laidoille lisättiin E. coli-bakteereja. Yhdessätoista päivässä bakteerit ehtivät muuntumaan niin monta kertaa, että ne pystyivät siirtymään maljan reunoilta sen keskelle, missä antibiootin pitoisuus oli tuhat kertaa suurempi kuin laidoilla. Kokeen alussa bakteerit olisivat kuolleet sellaisessa antibioottimäärässä, mutta kokeen päättyessä ne pystyivät jo elämään siinä.

Veden ja maaperän antibiootit voivat käynnistää vastustuskyvyn kehittymisen

Antibiootteja päätyy maaperään ja vesistöön jäteveden kautta. Vaikka antibioottia olisi ympäristössä vain vähän, se saattaa käynnistää vastustuskyvyn kehittymisen ympäristön bakteereissa.

– Antibioottiresistenssi on pohjimmiltaan evolutiivinen ongelma, jonka ymmärtäminen edellyttää evoluutiobiologian teorian tuntemusta, Hiltunen huomauttaa.

– Meidän on kyettävä tunnistamaan, miten vastustuskyky kehittyy luonnollisissa oloissa ja siirtyy ympäristössä elävistä bakteereista kliinisesti merkittäviin taudinaiheuttajiin. Tämän ymmärtämiseksi on tutkittava antibioottiresistenssin kehittymistä aiempaa monimutkaisemmissa oloissa. Tutkijoiden on siis lisättävä tutkimusasetelmaan muitakin tekijöitä, kuten esimerkiksi eri lajien vuorovaikutus meidän tutkimuksessamme.

Yhden uhan muuttuessa kahdeksi myös geenimuutokset muuttuvat

Hiltusen laboratoriossa P. fluorescence -bakteeri joutui selviämään sekä antibiooteista että Tetrahymena thermophila -alkueläinpedosta.

Tutkijat havaitsivat pian muutoksia bakteeripopulaatiossa: bakteerit kehittivät vastustuskykyään ja puolustautuivat pedolta huomattavasti hitaammin ja tehottomammin kuin bakteerit, jotka altistettiin vain jommallekummalle rasitteelle.

Lisäksi antibioottiresistenssi oli paljon harvinaisempaa.

– Bakteerit eivät selvästikään kyenneet käyttämään molempia selviytymiskeinojaan yhtä hyvin samaan aikaan, kertoo yksi tutkimusartikkelin kirjoittajista, Lutz Becks Max Planck -instituutista.

Seuraavaksi tutkijat selvittivät näiden muutosten geneettisen taustan. Tulosten perusteella pedoilta suojautumiseen tähtäävät geenimuutokset ilmenevät bakteerien perimässä säännönmukaisesti samalla tavalla, jos pedot ovat ainoa uhka.

Sama koskee antibioottiresistenssiä aiheuttavia muutoksia.

Bakteerien joutuessa puolustautumaan yhtä aikaa sekä petoja että antibiootteja vastaan niiden perimässä alkaa kuitenkin esiintyä erityyppisiä mutaatiota. Tällöin bakteerien suoja sekä petoja että antibiootteja vastaan kehittyy aiempaa hitaammin ja on aiempaa tehottomampaa.

Koska bakteerit eivät pysty suojautumaan pedoilta yhtä hyvin, jos ne saavat vastaansa sekä saalistavia ripsieläimiä että antibiootteja, niiden määrät vähenevät verrattuna tilanteeseen, jossa ne puolustautuvat kerralla vain yhtä uhkaa vastaan. Näin ollen useampi kuin yksi uhka näyttää vaikuttavan merkittävästi antibioottiresistenssin kehittymiseen ja sen yleisyyteen sekä siihen, miten suureksi bakteeripopulaatio voi kasvaa.

– Tällainen bakteerien ja alkueläinten vuorovaikutus on erittäin yleistä jätevedenpuhdistamojen, maaperän ja vesistöjen kaltaisissa ympäristöissä, Hiltunen selittää.

– Tutkimushavaintomme on osa suurempaa kokonaisuutta, jossa tutkijat alkavat oivaltaa, että meidän on opittava ymmärtämään entistä paremmin evoluution ja ympäristön vuorovaikutusta ja sen merkitystä antibioottiresistenssin kehittymisessä.

Enemmän ongelmia antibioottiresistenteille bakteereille, vähemmän huolta ihmiskunnalle. Tai niin ainakin toivomme.

Alkuperäinen tutkimus:Dual-stressor selection alters eco-evolutionary dynamics in experimental communities,” Nature Ecology & Evolution

Teppo Hiltunen johtaa kokeellisen evoluutiotutkimuksen ryhmää ja vetää HiLIFE – Helsinki Institute of Life Science -instituutin Grand Challenge -hanketta, joka keskittyy mikrobilääkeresistenssin torjumiseen.

Lue lisääJohannes Cairns: Behind the Paper – "Coming to terms with complexity: Eco-evolutionary dynamics under more than one selection pressure"