Российские биоинформатики смоделировали реакцию микрофлоры кишечника на антибиотики

© Пресс-служба МФТИ

Механизм обратной связи между бактериями разных типов и кишечной стенкой: (А) Бактерия производит токсин, который для нее самой вреден, но питателен для бактерий другого типа; (B) Производя токсин, бактерии одного типа контролируют количество бактерий другого типа; © Стенка кишечника производит токсин, который вреден для одного типа бактерий и питателен для другого; (D) Стенка кишечника контролирует распространённость всех видов бактерий; (E) Стенка кишечника стенка производит питательные для бактерий вещества

МОСКВА, 5 апреля. /ТАСС/. Специалисты из Центра физико- химической медицины, МФТИ, компании M&S Decisions и исследовательского подразделения «Яндекса» построили компьютерную модель взаимодействия бактерий как между собой, так и с кишечной стенкой. Это позволило объяснить появление и распространение устойчивых к антибиотикам микробов, сообщает пресс-служба МФТИ.

«В нашей работе мы воссоздали при помощи простого метода моделирования процессы, происходящие в кишечнике при участии бактерий и объяснили некоторые интересные эффекты при возникновении резистентности», — пояснил заместитель заведующего Лабораторией системной биологии МФТИ и ведущий автор исследования Дмитрий Алексеев.

Кишечник, лекарство, две бактерии: модель ученых

Исследователи построили модель взаимодействия между двумя видами бактерий и кишечником и рассчитали, что происходит при приёме антибиотиков, убивающих значительную часть микроорганизмов. Во-первых, они задались вопросом о том, с какой скоростью восстанавливается численность бактерий после антибиотикотерапии. Во-вторых, интерес представляла доля бактерий, на которых антибиотики не действуют и, наконец, новая модель детально описывала взаимодействие бактерий с кишечной стенкой, которая активно поглощает и выделяет различные вещества, влияющие на численность микробов.

В результате учёные показали, что даже после антибиотикотерапии уязвимых к действию антибиотика бактерий может оказаться больше чем тех, которые к лекарству устойчивы (резистентны). Этот вывод может показаться противоречивым, однако на самом деле это так: дело в том, что устойчивость к антибиотикам даётся микроорганизмам дорогой ценой. Меняя свои биохимические процессы или тратя ресурсы на дополнительные химические реакции бактерии неизбежно проигрывают в эффективности: медленнее потребляют «пищу», медленнее делятся и поэтому далеко не факт, что такие микробы вытеснят обычных.

Кроме того, модель позволяла отслеживать численность бактерий в разных точках кишечника, что помогло ученым объяснить все-таки частые выигрыши устойчивых, но «медленных» бактерий. Дальнейшие работы в этом направлении, по мнению исследователей, окажутся полезным для понимания фундаментальных причин появления антибиотикорезистентных бактерий и для разработки лекарственных средств, направленных против патогенных бактерий.

Математика жизни

По словам одного из авторов исследования — заведующего кафедрой дискретной математики МФТИ и руководителя отдела теоретических и прикладных исследований «Яндекса» Андрея Райгородского — математики взялись за эту работу, т.к. в ней, помимо прочего, нужна была экспертиза в области теории графов, которой они как раз активно занимаются. «Математики, заинтересованы в применении наших методов к задачам биологии и медицины. Вообще, „сложные сети“, которыми мои исследовательские подразделения в МФТИ и Яндексе особенно активно занимаются, где только в природе и обществе не возникают. Это и социальные сети, и собственно Интернет, и сети в экономике, и вот как раз сети в биологии. Я рад, что наше взаимодействие привело к содержательной публикации и надеюсь на его дальнейшее развитие», — сказал Райгородский.

В кишечнике человека живут триллионы различных бактерий, совокупность которых называется микробиом. Они защищают человека от вредных микроорганизмов, производят пищеварительные ферменты и способствуют нормальной работе иммунной системы. Одновременно, многие заболевания, такие как ожирение, болезнь Крона, рак толстой кишки и другие воспалительные процессы связаны с нарушением работы микробиома. Подробнее о влиянии микрофлоры на здоровье человека читайте в материале научно-популярного портала «Чердак» chrdk.ru/sci/2016/2/5/microbiota_Alexeev/.

Исследование ученых опубликовано в журнале PLoS One.

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.