Brytyjscy naukowcy przeanalizowali strukturę ściany komórkowej gronkowca złocistego opornego na metycylinę i doszli do wniosku, że geny oporności pozwalają mu dzielić się w alternatywny sposób, z inną architekturą ściany komórkowej w obecności antybiotyków. Sprawozdanie z prac opublikowano w czasopiśmie Science, gdzie również poświęcono mu artykuł wstępny.
Po powszechnym stosowaniu penicyliny beta-laktamowej w latach 40. i 50. XX wieku oporne szczepy gronkowca złocistego zaczęły się szybko rozprzestrzeniać ze względu na produkcję beta-laktamaz. Aby je zwalczać, w 1959 roku wprowadzono metycylinę, pochodną penicyliny, której ten enzym nie rozkłada. Jednak w kolejnej dekadzie odnotowano zakażenia wywołane przez gronkowca złocistego opornego na metycylinę (MRSA), który obecnie jest jedną z najgroźniejszych bakterii opornych na antybiotyki, powodującą śmierć ponad 100 000 osób rocznie.
Antybiotyki beta-laktamowe działają poprzez blokowanie białek wiążących penicylinę (PBP) – enzymów odpowiedzialnych za tworzenie peptydoglikanów ściany komórkowej bakterii. Staphylococcus aureus ma ich cztery, ale tylko PBP1 i PBP2 są niezbędne do budowy ściany komórkowej. MRSA posiada nietypową odmianę genu PBP2a o niskim powinowactwie do większości beta-laktamów, która pochodzi od innych gatunków Staphylococcus, jest kodowana przez gen mecA i przenoszona poziomo przez kasety genetyczne SCCmec różnych typów. Może pełnić funkcje transpeptydazy PBP2, ale nie PBP1. Adaptacja ta zapewnia ochronę przed niskimi stężeniami metycyliny, ale około jedna na 10 000 komórek MRSA wykazuje wyjątkowo wysoką oporność ze względu na dodatkowe mutacje w genach potencjalizujących (pot), w tym w genach kodujących podjednostki polimerazy RNA (rpo*), a w obecności antybiotyku komórki te podlegają pozytywnej selekcji.
Simon Foster z Uniwersytetu w Sheffield i jego współpracownicy zastosowali mikroskopię sił atomowych o wysokiej rozdzielczości (AFM) do zbadania struktury ściany komórkowej szczepu Staphylococcus aureus wrażliwego na antybiotyki (MSSA) oraz tego samego szczepu wyposażonego w gen mecA (czyli takiego, który stał się MRSA). W przypadku braku antybiotyków peptydoglikany na zewnętrznej powierzchni obu bakterii miały strukturę o grubych oczkach i dużych porach, natomiast na wewnętrznej powierzchni, gdzie są syntetyzowane, tworzyły znacznie gęstszą sieć. W trakcie formowania się nowej ściany, która w czasie podziału pełni funkcję przegrody między komórkami potomnymi, jej zewnętrzne peptydoglikany układają się w charakterystyczne koncentryczne okręgi.
Под действием 1,5 микрограмма метициллина на миллилитр среды, что немного меньше минимальной подавляющей концентрации (МПК) для обычного MRSA, в стенке MSSA появлялись крупные отверстия и клетка погибала. У mecA+ MRSA в этих условиях в перегородке между клетками наружные пептидогликаны не формировали концентрическую структуру, а представляли собой плотную однородную сеть, при этом толщина стенки снижалась. Такая же утрата концентрических окружностей с формированием плотной сети наблюдалась у высокоустойчивого штамма MRSA, несущего мутацию rpoB* помимо гена mecA, при концентрации антибиотика 25 микрограмм на миллилитр (смертельной для MSSA и mecA+ MRSA), однако у него стенка утолщалась с образованием дополнительной выпуклости посередине. Аналогичные паттерны формирования стенки в присутствии антибиотика демонстрировали различные клинически значимые высокоустойчивые штаммы MRSA с разными типами SCCmec.
Выяснив это, авторы работы, экспериментируя с различными штаммами золотистого стафилококка, провели систематическое исследование молекулярных механизмов обычного (в отсутствие антибиотиков) и альтернативного (в их присутствии у устойчивых штаммов) способов деления клеток. Они выяснили, что за рост концентрических структур пептидогликанов в процессе деления отвечает только чувствительный к метициллину PBP1. Мутация rpoB может компенсировать траспептидазную активность этого белка, и именно она отвечает за формирование плотной сети пептидогликанов. В комбинации с замещением активности PBP2 устойчивым PBP2a это исключает необходимость в чувствительных PBP1 и PBP2, обеспечивая альтернативный способ деления и высокую резистентность к метициллину. Аналогично мутантному rpoB может действовать pot мутация гена rel, который отвечает за стрессовую реакцию бактерий на дефицит нутриентов, и обе этих мутации повышают концентрацию в клетке алармона гуанозинтетрафосфата.
В завершение авторы работы показали, что некоторые соединения могут вернуть MRSA чувствительность к метициллину в культуре при определенных мутациях: кломифен и спермин — при mecA+ pbp2* и mecA+ pbp2* rpoB*, но не pbp1* rpoB*; норгестимат — pbp1* rpoB* и mecA+ pbp2*, но не mecA+ pbp2* rpoB*, эпикатехина галлат — при всех трех. Имеет ли это клиническое значение, а также используют ли другие бактерии альтернативный синтез клеточной стенки при делении в присутствии антибиотиков, предстоит выяснить в дальнейших исследованиях.
Ранее было показано, что кожа людей может противостоять проникновению MRSA за счет выработки интерлейкина-8, из-за чего он может быть комменсалом в кожной микробиоте, а гаплонедостаточность гена OTULIN, напротив, предрасполагает к тяжелым стафилококковым инфекциям. При этом бета-лактамный цефалоспорин пятого поколения цефтобипрол пока сохраняет активность в отношении MRSA.