یک شاهکار علمی: چطور باکتری‌ها در آلمان و فرانسه به آنتی‌بیوتیک‌ها «نه» می‌گویند؟

معضل باکتری‌های فوق مقاوم در پزشکی نوین

باکتری‌های خارق‌العاده، که به باکتری‌هایی گفته می‌شود که در برابر چندین نوع آنتی‌بیوتیک ایمن هستند، چالشی جدی برای علم پزشکی امروزی به شمار می‌روند. محققان از مرکز مهندسی مولکولی B CUBE در دانشگاه فناوری درسدن و مؤسسه پاستور در پاریس، یک نقطه ضعف در ساختار باکتریایی که به آن‌ها اجازه می‌دهد با آنتی‌بیوتیک‌ها سازگار شوند، کشف کردند. یافته‌های آن‌ها که در مجله Science Advances منتشر شده، می‌تواند راه را برای افزایش اثرگذاری آنتی‌بیوتیک‌های فعلی هموار کند.

از زمانی که پنی‌سیلین در سال ۱۹۲۸ کشف شد، آنتی‌بیوتیک‌ها انقلابی در پزشکی به پا کردند و این امکان را برای ما فراهم ساختند که با عفونت‌های باکتریایی با سهولت مبارزه کنیم. اما متاسفانه، با اختراع آنتی‌بیوتیک‌ها، وارد یک رقابت تسلیحاتی بی‌پایان با باکتری‌ها هم شدیم. باکتری‌ها خیلی سریع با داروها تطبیق پیدا می‌کنند و بسیاری از درمان‌های موجود را بی‌اثر می‌کنند. این باکتری‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک، که معمولاً به آنها “باکتری‌های فوق مقاوم” می‌گویند، تهدیدی جدی برای بیماران مبتلا به بیماری‌های مزمن و سیستم ایمنی ضعیف به شمار می‌روند.

پروفسور میکائیل شلیرف، سرپرست گروه تحقیقاتی در B CUBE، TU Dresden و مسئول این تحقیق می‌گوید: “به جای تولید آنتی‌بیوتیک‌های جدید، قصد داشتیم دقیقاً بفهمیم که باکتری‌ها چگونه به مقاومت دست پیدا می‌کنند.” آن‌ها در این تحقیق دریافتند که چرا بعضی از باکتری‌ها به زمان بیشتری برای مقاوم شدن در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها نیاز دارند، در حالی که بعضی دیگر خیلی سریع این کار را انجام می‌دهند. کشفیات آن‌ها مسیرهای جدیدی برای طراحی استراتژی‌های مقابله‌ای باز می‌کند.

ابزار ژنتیکی در عمل

پروفسور دیدیه مازل، سرپرست گروه تحقیقاتی در مؤسسه پاستور در پاریس، که گروهش با تیم شلیرف همکاری داشته است، می‌گوید: “تمرکز کار ما روی سیستم اینترون است، که یک ابزار ژنتیکی است که باکتری‌ها برای سازگاری با محیط اطراف خود از آن استفاده می‌کنند و شامل تبادل ژن‌ها، از جمله ژن‌های مقاومت به آنتی‌بیوتیک می‌شود.” سیستم اینترون مانند یک جعبه ابزار عمل می‌کند و به باکتری‌ها اجازه می‌دهد ژن‌های مقاومتی را با نسل‌های خود و سلول‌های همسایه به اشتراک بگذارند و ذخیره کنند. این سیستم از طریق یک مکانیسم “برش و چسباندن” مولکولی که توسط پروتئین‌های خاصی بنام رکومبینازها هدایت می‌شود، کار می‌کند.

سیستم اینترون بسیار مورد مطالعه قرار گرفته است. بعضی از باکتری‌ها خیلی سریع مقاومت جدیدی به دست می‌آورند و برای بقیه، این فرآیند زمان بیشتری می‌برد. مشخص شد که تفاوت در تنوع توالی‌های DNA در قلب این تفاوت قرار دارد. “توالی‌های داخل سیستم اینترون توسط موهای DNA ویژه‌ای احاطه شده‌اند.”

تجزیه و تحلیل عملکرد پروتئین‌های بازترکیب کننده در DNA

این پروتئین‌ها به این نام مشهور هستند، زیرا دقیقاً شبیه سنجاق‌های کوچک U شکل هستند که از DNA بیرون زده‌اند. پروفسور مازل توضیح می‌دهد: “پروتئین‌های بازترکیب کننده طوری طراحی شده‌اند که به این سنجاق‌های مو متصل شده و یک مجموعه بسازند که می‌تواند یک تکه را ببرد و یک تکه دیگر را جایگزین کند.”

گروه شلیرف از یک ابزار میکروسکوپی پیشرفته برای مطالعه قدرت اتصال پروتئین‌های بازترکیب کننده به توالی‌های مختلف سنجاق‌های مو در DNA استفاده کردند. آن‌ها پی بردند که مجموعه‌هایی که اتصال قوی‌تری بین پروتئین و DNA دارند، همچنین در به دست آوردن ژن‌های مقاومتی کارآمدتر هستند.

استفاده از نیرو

با بهره‌گیری از یک روش میکروسکوپی پیشرفته به نام انبرک‌های نوری، گروه شلیرف نیروهای کوچکی را که برای جدا کردن مجموعه‌های پروتئین-DNA لازم بود، اندازه گرفتند. دکتر اکاترینا ورابوفسکایا، یکی از دانشمندان آزمایشگاه شلیرف که روی این پروژه فعالیت می‌کرد، می‌گوید: “با انبرک‌های نوری، ما از نور استفاده می‌کنیم تا به نوعی یک رشته DNA را از هر دو طرف بگیریم و آن را از هم جدا کنیم. این را می‌توان به عنوان کشیدن یک رشته برای باز کردن یک گره تصور کرد.”

این گروه یک رابطۀ واضح بین نیروی لازم برای جدا کردن یک مجموعه پروتئین-DNA و کارایی ماشین برش و چسباندن مشاهده کردند. دکتر ورابوفسکایا اضافه می‌کند: “اگر شما یک مجموعه داشته باشید که محکم به DNA چسبیده باشد، می‌تواند کارش را درست انجام دهد. DNA را بریده و یک ژن مقاومتی جدید را خیلی سریع جایگزین می‌کند. از طرف دیگر، اگر یک مجموعه پروتئین-DNA نسبتاً ضعیف باشد و دائماً از هم بپاشد، باید دوباره و دوباره جمع شود. به همین دلیل است که بعضی از باکتری‌ها سریع‌تر از بقیه به مقاومت آنتی‌بیوتیکی دست پیدا می‌کنند.”

بهره بردن از نقاط ضعف

پروفسور شلیرف می‌گوید: “سیستم اینتگرون توسط میکروبیولوژیست‌ها برای دهه‌ها مورد بررسی قرار گرفته است. آنچه ما به این مسئله اضافه می‌کنیم، داده‌های بیوفیزیکی و توضیحات رفتار این سیستم با استفاده از فیزیک است.” او اضافه می‌کند: “شاید این آسیب‌پذیری در برابر نیرو یک پدیده عمومی‌تر برای کارایی‌های متغیر در زیست‌شناسی باشد.”

دانشمندان معتقدند که می‌شود از این نقطه‌ضعف در سیستم برای توسعه درمان‌های کمکی که از مجموعه‌های ناپایدار DNA-پروتئین بهره‌برداری می‌کنند، استفاده کرد. این درمان‌ها می‌توانند همزمان با آنتی‌بیوتیک‌های موجود مصرف شوند و یک برتری زمانی اضافی در برابر باکتری‌ها به آن‌ها بدهند.