Bakteriálna rezistencia nie je evolúcia!

Je odolnosť baktérií voči antibiotikám vhodným príkladom evolučnej zmeny?

Evolucionisti často poukazujú na vzostup odolnosti voči antibiotikám u baktérií ako na ukážku evolučnej zmeny. Avšak molekulárna analýza genetických udalostí, ktoré vedú k odolnosti voči antibiotikám, túto všeobecnú domnienku nepodporuje. Mnohé baktérie sa stanú odolnými prijatím génov z plazmidov či transpozonov cestou horizontálneho prenosu génov. Horizontálny prenos však nevysvetľuje pôvod odolných génov, ale iba ich šírenie medzi baktériami.

Na druhej strane mutácie môžu síce vysvetliť pôvod odolnosti voči antibiotikám v bakteriálnom svete, ale vyžadujú také mutačné procesy, ktoré sú v rozpore s predpokladmi evolúcie. Takéto mutácie obmedzujú či vylučujú funkciu transportných proteínov či porínov, slučivosť viažuceho proteínu, aktivity enzýmov, protonmotivej sily či regulačných kontrolných systémov.

Hoci takéto mutácie môžeme považovať za prínosné (predlžujú dobu prežitia baktérie v prítomnosti antibiotika), vyžadujú mutačné procesy, ktoré nezabezpečujú genetický mechanizmus pre spoločný „pôvod s modifikáciou“. Tieto mutácie sú vykúpené cenou relatívnej zdatnosti, no reverzné mutácie môžu opäť obnoviť väčšinu, ak nie všetko, do pôvodnej bakteriálnej fitness. Pravá biologická cena zaplatená za tieto mutácie je však v každom prípade strata skôr existujúcich bunkových systémov či funkcií.

Takáto strata bunkovej aktivity nemôže byť preto považovaná za genetický prostriedok podporujúci evolúciu.

Pojmy:

• Plazmid – Kruhová molekula DNA nesúca jeden alebo niekoľko génov, ktorá môže existovať v baktériách mimo vlastného chromozómu a nezávisle na ňom sa množiť. Plazmid môže byť medzi baktériami prenášaný. Niekedy obsahuje gény rezistencie voči niektorým antibiotikám.
• Transpozon – Sekvencia DNA schopná meniť lokalizáciu v genóme, tzv. „pohyblivý gén“. K premiestneniu môže dôjsť s duplikáciou DNA alebo aj bez nej, pričom sekvencia sa niekedy neobjaví voľne.
• Poríny – Bielkovinové molekuly vo vonkajšej membráne gramnegatívnych baktérií. Trimerické štruktúry slúžiace ako kanáliky. Zmena povrchových štruktúr a cytoplazmatickej membrány bakteriálnej bunky a jej permeability dokážu zabrániť vstupu antibiotika – ide o jeden z mechanizmov vzniku odolnosti.

Úvod

Vzhľadom na rýchle množenie, jednoduchú laboratórnu analýzu a širokú škálu mutantov vzniknutých v laboratóriu, ktoré môžeme získať, sú baktérie považované za vynikajúci model na štúdium evolučných procesov (Mortlock, 1984). Získanie odolnosti voči určitému antibiotiku poskytuje baktérii jasnú výhodu v prípade, že je tomuto antibiotiku vystavená. Preto je získanie odolnosti voči antibiotiku všeobecne uvádzané ako príklad „evolučnej zmeny“ a stalo sa populárnym príkladom takzvanej „evolúcie na Petriho miske“.

Miller (1999) hovorí o vývoji odolnosti voči antibiotikám ako o príklade „tvorivej sily“ evolúcie. Barlow a Hall (2002) o nej hovoria ako o „jedinečnej príležitosti na pozorovanie evolučných procesov v priebehu niekoľkých desaťročí namiesto tisícok rokov, ktoré takéto procesy väčšinou vyžadujú“ (s. 314).

Petriho miska – (pomenovaná po bakteriológovi R. J. Petri, 1852 – 1921), malá okrúhla miska približne 10 mm hlboká so skleneným prekrývacím viečkom rovnakého tvaru, používaná na biochemické, chemické a farmaceutické preparáty, najmä na kultiváciu mikroorganizmov. Previslý okraj viečka bráni vzdušnej kontaminácii obsahu, ale nebráni prístupu kyslíka.

Evolúcia je často definovaná jednoducho ako „zmena“ alebo „zmena vo frekvencii génov v priebehu času“ (Dillon, 1978; Johnson, 2000; Patterson, 1978) a evolucionisti takmer jednohlasne tvrdia, že akákoľvek zmena v genotypu (či dokonca fenotypu) je „evolučnou zmenou“. V takom prípade by do tejto definície spadala akákoľvek biologická zmena organizmu, vrátane odolnosti voči antibiotikám.

Avšak obyčajná biologická zmena zapadá aj do modelu stvorenia, a preto sa táto definícia nevymedzuje voči názorom kreacionistov. Takáto definícia navyše nešpecifikuje typ zmeny (napríklad zhubná verzus prínosná), a preto neposkytuje evolučnej teórii žiadnu predpovednú hodnotu. A navyše, akákoľvek zmena, ktorá sa považuje za takzvanú „prínosnú“ adaptáciu, je bežne pokladaná za hnaciu silu evolúcie.

Niektoré mutácie, ako napríklad odolnosť voči antibiotikám, môžu byť skutočne prínosné, pretože môžu zabezpečiť organizmu zvýšenú schopnosť prežiť v špecifických podmienkach prostredia. Preto evolucionisti často tvrdia, že existuje množstvo genetických príkladov „evolučných zmien“ a že kreacionisti sú nútení tieto dôkazy popierať napriek ich zjavnej prítomnosti.

Teória evolúcie a spoločný pôvod

Teória evolúcie však tvrdí, že všetok život na Zemi mal spoločný pôvod. To znamená, že všetky formy života zdieľajú spoločného evolučného predka, z ktorého sa postupne vyvinuli – ide o tzv. „pôvod života zo spoločného počiatku“. Darwin (1936) v súhrnnom konštatovaní uvádza, že „teória pôvodu s modifikáciou zahŕňa všetkých členov tej istej veľkej triedy či ríše… všetky zvieratá a rastliny pochádzajú z nejakého jediného prototypu“ (s. 370). Vďaka tomuto spoločnému „pôvodu s modifikáciou“ si evolučná teória nárokuje vysvetlenie pôvodu a rozmanitosti všetkého biologického vývoja na Zemi.

Spoločný „pôvod s modifikáciou“ je preto vhodnejšou a funkčnejšou definíciou evolučnej teórie, a tento článok bude o evolúcii hovoriť v tomto kontexte. Táto definícia zároveň prináša niekoľko „predpokladov“ o typoch genetickej zmeny potrebných na všeobecný pôvod zo spoločného predka (predpokladov, ktoré sú v ostrom protiklade k „predpokladom“ kreacionistického modelu).

Takéto zmeny musia zahŕňať viac než len zmeny vo fenotype; musia obsahovať genetický mechanizmus riadiaci bunkové funkcie a aktivity (t. j. regulačné systémy, transportné systémy, špecifickosť enzýmov, slučivosť viažuceho proteínu atď.).

Genetické zmeny a evolučná teória

Genetické zmeny, ktoré obmedzujú či vylučujú akýkoľvek z bunkových systémov, neposkytujú genetický mechanizmus pre spoločný „pôvod s modifikáciou“. Takéto zmeny sú v skutočnosti skôr opakom tohto vzostupného pôvodu, pretože obmedzujú alebo ničia už existujúcu sústavu biologickej zložitosti (skôr ide o spoločný „úpadok s modifikáciou“).

Tieto genetické zmeny preto nepredstavujú genetický mechanizmus pre „evolučné“ získanie schopnosti letu u nelietajúcich organizmov, schopnosti myslenia u nemysliacich organizmov či schopnosti fotosyntézy u nefotosyntetizujúcich organizmov. Teória evolúcie však predpokladá, že k takýmto udalostiam dochádza a vyžaduje mutácie, ktoré sú schopné vyvolať takéto genetické zmeny. Evolučné predpoklady teda vyžadujú špecifické druhy zmien, nielen takzvané „prínosné“ mutácie.

Napriek sebavedomým tvrdeniam evolucionistov je preto potrebné položiť si otázku, či získanie odolnosti voči antibiotikám je skutočne platným príkladom evolučnej zmeny, ktorá podporuje predpoklady evolučnej teórie (teda teórie spoločného „pôvodu s modifikáciou“).

Horizontálny prenos génov

Jedným zo spôsobov, ako môžu baktérie získať odolnosť voči antibiotikám, je horizontálny prenos génov odolných voči antibiotikám. Tento prenos je pomerne bežný (Gómez, 1998; Top et al., 2000) a zodpovedá za mnohé prípady odolných baktérií. Avšak horizontálny prenos vyžaduje iba prenos odolných génov, ktoré už sú prítomné v bakteriálnom svete.

Aj keď je horizontálne prijatie odolných génov prínosné pre baktérie vystavené danému antibiotiku, takýto prenos nevysvetľuje pôvod ani rozmanitosť týchto génov. Sám osebe nedokáže zabezpečiť genetický mechanizmus pre vznik akýchkoľvek génov odolných voči antibiotikám v biologickom svete. Evolúcia, v kontexte spoločného „pôvodu s modifikáciou“, tvrdí, že dokáže vysvetliť pôvod a rozmanitosť života na Zemi.

Avšak samotné presúvanie už existujúcich génov medzi organizmami cez horizontálny prenos nezabezpečuje potrebný genetický mechanizmus pre takéto tvrdenie. Navyše nedokáže vhodne vysvetliť súčasný vývoj biosyntézy antibiotika a odolných génov – čo predstavuje evolučnú záhadu (Penrose, 1998). Preto horizontálny prenos odolných génov nemôže byť považovaný za vhodný príklad „evolúcie na Petriho miske“.

Mutácie

Mutácie sú definované ako akékoľvek zmeny v sekvencii DNA (Snyder a Champness, 2003) a predstavujú jediný známy genetický mechanizmus na získanie novej genetickej aktivity a funkcie v biologickom svete. Vzhľadom na tento fakt sú práve mutácie jediným prostriedkom, ktorý môže zabezpečiť evolúcii mechanizmus na vysvetlenie pôvodu odolnosti voči antibiotikám. Iba odolnosť vzniknutá z mutácie je teda možným príkladom „evolúcie v akcii“ (t. j. spoločného „pôvodu s modifikáciou“).

V prítomnosti konkrétneho antibiotika (alebo iného antimikrobiálneho prostriedku) má akákoľvek mutácia, ktorá chráni baktériu pred smrteľným účinkom tejto zlúčeniny, zjavne „prínosný“ fenotyp. Prírodný výber potom s maximálnou presnosťou vyberá práve tieto odolné mutanty, ktoré zapadajú do rámca adaptívnej reakcie. Avšak molekulárna analýza takýchto mutácií odhaľuje značný nesúlad medzi skutočnou povahou mutácie a požiadavkami evolučnej teórie.

Prehľad fenotypických mutantov odolných voči špecifickým antibiotikám:

Bakteriálna odolnosť voči antibiotikám: rifampin a fluórchinolóny

Bakteriálna odolnosť voči antibiotiku rifampinu môže byť výsledkom spontánnej mutácie, ktorá sa vyskytuje prirodzene. Rifampin bráni prepisu baktérie tým, že narúša normálnu aktivitu RNA polymerázy (Gale et al., 1981; Leyin a Hatfull, 1993). Baktéria môže získať odolnosť mutáciou podjednotky beta RNA polymerázy, ktorá je kódovaná génom rpoB (Enright et al., 1998; Taniguchi et al., 1996; Wang et al., 2001; Williams et al., 1998).

Táto mutácia dostatočne zmení štruktúru β podjednotky, čím sa stratí jej špecificita pre molekulu rifampinu. Výsledkom je, že RNA polymeráza už nemá slučivosť s rifampinom a nie je tak ovplyvnená obmedzujúcim účinkom antibiotika.

• Polymeráza – Enzým katalyzujúci polymerizáciu.
• RNA polymeráza – Enzým, ktorý katalyzuje tvorbu RNA z prekurzoru, za prítomnosti už existujúcej RNA ako šablóny.

Hladina odolnosti voči rifampinu, ktorú môže baktéria spontánne získať, môže byť extrémne vysoká. V laboratórnych podmienkach je bežné získať kmene mutantov s hladinou odolnosti niekoľkokrát vyššou ako u divokých kmeňov. Ak je rifampin prítomný, táto mutácia poskytuje baktérii výraznú výhodu prežitia v porovnaní s bunkami, ktoré tieto mutácie nemajú. Každá z týchto mutácií však znižuje väzbovú slučivosť RNA polymerázy s rifampinom.

Spontánna odolnosť voči fluórchinolónom (ako sú ciprofloxacín či norfloxacín) je tiež častou mutáciou u niektorých baktérií. Primárnym cieľom antibiotika je enzým DNA gyráza, ktorý sa skladá z dvoch proteínov kódovaných génmi gyrA a gyrB (Hooper a Wolfson, 1993). Genetická analýza ukázala, že odolnosť voči tejto triede antibiotík môže vzniknúť mutáciou v jednom z týchto génov (Barnard a Maxwell, 2001; Griggs et al., 1996; Heddle a Maxwell, 2002; Heisig et al., 1993; Willmott a Maxwell, 1993).

Tieto mutácie v podjednotkách gyrázy spôsobujú dostatočne prispôsobivú zmenu gyrázy, takže jej slučivosť s fluórchinolónmi je obmedzená alebo úplne stratená. Napriek tomu, že tieto mutácie môžu byť považované za „prínosné“, pretože zvyšujú odolnosť baktérie, neposkytujú model na vysvetlenie pôvodu slučivosti gyrázy s fluórchinolónmi.

Bakteriálna odolnosť voči fluórchinolónom, streptomycínu a metronidazolu

Fluórchinolóny sú chinolóny, ktoré obsahujú vo svojej molekule fluór. Medzi najznámejšie patria chinolóny III. generácie (napríklad ciprofloxacín, ofloxacín a ďalšie).

Gyráza je enzým dôležitý pre správny priebeh replikácie DNA (tiež známa ako topoizomeráza II), ktorá umožňuje „zavíjanie a rozvíjanie“ replikovanej DNA. Inhibícia bakteriálnej gyrázy je hlavným mechanizmom účinku chinolónov. Modifikácia (mutácia) gyrázy môže byť podstatou bakteriálnej rezistencie voči chinolónom.

Odolnosť voči streptomycínu môže byť tiež výsledkom spontánnych bakteriálnych mutácií. V tomto prípade streptomycín blokuje syntézu bielkovín tým, že sa pravdepodobne naviaže na 16S ribozómovú RNA (časť ribozómu) a preruší ribozómovú aktivitu (Carter et al., 2000; Leclerc et al., 1991).

K odolnosti na antibiotikum môže dôjsť mutáciami na géne 16S rRNA, ktoré obmedzujú slučivosť streptomycínu s molekulou 16S (Springer et al., 2001). Obmedzenie špecifických aktivít pri transporte oligopeptidu môže tiež viesť k spontánnej odolnosti voči niektorým antibiotikám, vrátane streptomycínu (Kashiwagi et al., 1998). Oligopeptid je peptid tvorený niekoľkými (menej než 25) aminokyselinami.

Strata enzymatickej aktivity môže viesť k odolnosti voči metronidazolu. Tento antibiotikum musí byť vnútri bunky aktivovaný enzýmom, aby mohol pôsobiť ako antimikrobiálna látka. Aktivácia prebieha pomocou enzýmu NADPH nitroreduktázy. Ak metronidazol nie je aktivovaný, nepôsobí proti rozvoju baktérie. V prípade, že dôjde k výpadku aktivity NADPH nitroreduktázy v bunke, metronidazol zostáva neaktívny. Strata aktivity reduktázy môže vzniknúť mutáciou nonsense alebo deléciou na rdxA (Debets – Ossenkopp et al., 1999; Goodwin et al., 1998; Tankovic et al., 2000).

Bakteriálna odolnosť voči metronidazolu a multidrugovej rezistencii

Aktivita NADPH nitroreduktázy môže byť podstatne obmedzená jedinou mutáciou missense (jedinou zmenou aminokyseliny), ktorá obmedzí schopnosť enzýmu aktivovať metronidazol (Paul et al., 2001). Všetky tieto mutácie vedú k strate enzymatickej aktivity, ktorá je potrebná na to, aby bol liek v bunke účinný, čím sa bunka stáva odolnou voči metronidazolu.

• Mutácia nonsense – Substitučná bodová mutácia, pri ktorej sa z iného kodónu stane terminačný kodón. Takáto mutácia spôsobí predčasné ukončenie translácie príslušnej bielkoviny, čo vedie k strate alebo poškodeniu jej funkcie.
• Mutácia missense – Substitučná bodová mutácia, pri ktorej sa zmení príslušný kodón takým spôsobom, že vedie k zámene aminokyseliny určenou týmto kodónom.

Niektoré baktérie, vrátane Escherichia coli, používajú odtokovú pumpu MAR (mnohočetnej antibiotickej rezistencie), ktorá zabezpečuje odolnosť voči viacerým typom antibiotík, vrátane erytromycínu, tetracyklínu, ampicilínu a kyseliny nalidixovej. Táto pumpa vypudzuje antibiotikum z bunkovej cytoplazmy a pomáha udržiavať vnútrobunkové hladiny antibiotík pod smrteľnou koncentráciou (Grkovic et al., 2002; Okusu et al., 1996).

Pumpa MAR sa skladá z bielkovín MarA a MarB, ktorých syntézu blokuje regulačná bielkovina MarR (Alekshun a Levy, 1999; Poole, 2000). Mutácie, ktoré obmedzujú alebo vylučujú represívnu kontrolu MarR, vedú k nadprodukcii výtokovej pumpy MarAB, čo umožňuje bunke vypudzovať vyššie koncentrácie antibiotík či iných antibakteriálnych látok (Oethinger et al., 1998; Poole, 2000; Zarantonelli et al., 1999).

Bakteriálna odolnosť voči antibiotikám: E. coli a systém MarAB

E. coli (vyslovuje sa ešerišia koli) je druh gramnegatívnej baktérie z rodu Escherichia, patriaci do čeľade Enterobacteriaceae. Táto baktéria sa bežne vyskytuje v ľudskom tráviacom trakte (najmä v hrubom čreve). V niektorých prípadoch však môže spôsobiť infekcie.

• Escherich Theodor – (vyslovuje sa ešeriš, 1857 – 1911), nemecký pediater a profesor pediatrie vo Viedni. Vynikal v oblasti bakteriológie a chémie, ktoré využíval pri starostlivosti o detskú hygienu a výživu.

Bielkovina MarA funguje ako kladný regulátor, ktorý stimuluje zvýšenú produkciu bielkovín MarA aj MarB (Alekshun a Levy, 1999). Okrem toho bielkovina MarA nepriamo obmedzuje produkciu porínu OmpF, čo je kanálik v bunkovej membráne, ktorý umožňuje vstup niektorých antibiotík do bunky (Cohen et al., 1988). V dôsledku toho zvýšená exprese MarA zvyšuje odtok antibiotík z bunky a súčasne obmedzuje ich vstup do bunky.

V genetike označuje aktivitu génu a syntézu príslušného proteínu na základe jeho genetickej informácie. V ľudských bunkách je z celkového počtu cca 50 000 génov aktívna vždy len určitá časť. Riadenie genovej exprese je významným procesom určujúcim funkciu a diferenciáciu bunky.

Mutácie a regulačná kontrola

Mutácie marR, ktoré obmedzujú expresiu alebo aktivitu bielkoviny MarR, vedú k nadprodukcii odtokovej pumpy MarAB (Linde et al., 2000; Okusu et al., 1996), čo baktérii zabezpečuje zvýšenú odolnosť voči rôznym antibiotikám (Eaves et al., 2004; Hans-Jorg et al., 2000; Notka et al., 2002). Mutanti defektní v MarR vykazujú aj zvýšenú toleranciu voči niektorým organickým chemickým látkam, ako je napríklad cyklohexán (Aono et al., 1998).

• Represor – Molekula, ktorá sa viaže na určitý úsek DNA a tým bráni (tlmí) aktiváciu príslušného génu.

Mutácie, ktoré zvyšujú produkciu tejto odtokovej pumpy, umožňujú baktériám prežiť vystavenie rôznym antibiotikám. V prípade prítomnosti antibiotika v prostredí sa tieto mutácie považujú za prínosné. Na druhej strane, mutácie, ktoré spôsobia stratu regulačnej kontroly (v tomto prípade kontrolu pomocou represora MarR), neumožňujú vysvetliť pôvod regulačnej kontroly.

Bakteriálna odolnosť voči rôznym antibiotikám

Odolnosť voči erytromycínu môže vzniknúť stratou úseku 11 párov báz v géne 23S rRNA (Douthwaite et al., 1985) alebo v dôsledku mutácie, ktorá mení konformáciu 23S rRNA a obmedzuje slučivosť ribozómu s antibiotikom (Gregory a Dahlberg, 1999; Vannuffel et al., 1992).

• Konformácia – Priestorové usporiadanie atómov v organickej zlúčenine umožnené rotáciou okolo jednoduchej väzby.

Odolnosť voči chloramfenikolu bola získaná vymazaním oblasti 12 párov báz v doméne II génu peptidyltransferázy (Douthwaite, 1992).

• Doména – Časť molekuly bielkoviny s určitou vlastnosťou alebo funkciou.

Enzým, ktorý katalyzuje pridávanie aminokyselinových skupín k rastúcemu polypeptidovému reťazcu počas syntézy proteínov pomocou peptidových väzieb. Peptidyltransferázová aktivita je viazaná na ribozóm (peptidyltransferázové miesto).

• Odolnosť voči cefalosporínom je spojená s dramatickou zmenou kinetiky transportu v membráne, podobnou ako u kmeňov, ktoré postrádajú porín (Chevalier et al., 1999).
• Odolnosť Staphylococcus aureus voči actinonínu je výsledkom mutácií, ktoré odstraňujú expresiu génu fmt (Margolis et al., 2000).
• Odolnosť E. coli voči zwittermicínu A súvisí so stratou hybnej sily protonov (Stabb a Handelsoman, 1998).
• Tolerancia voči penicilínu u Streptococcus gordonii môže byť spojená so stratou regulačnej kontroly oblúkového operónu (Caldelari et al., 2000).

Bakteriálna odolnosť a mutácie spojené so stratou funkcie

Mutácie, ktoré vedú k odolnosti baktérií voči antibiotikám, často spôsobujú straty už existujúcich biologických systémov, vrátane bunkového delenia a hybnej sily protónov. Aj keď prežitie baktérie v prostredí s antibiotikom predstavuje „prínosný“ fenotyp, tieto mutácie nepredstavujú genetický mechanizmus vysvetľujúci pôvod týchto systémov.

• Operón – Operón je skupina génov, ktoré u baktérií tvoria funkčnú jednotku s jednotnou reguláciou.
• Laktámy – Laktámy sú cyklické amidy aminokyselín s kruhom obsahujúcim amidovú skupinu –CONH– alebo –CONR–.

Mutácie, ktoré sú spojené s odolnosťou baktérií voči antibiotikám, vo všeobecnosti vedú k strate alebo obmedzeniu už existujúcej bunkovej funkcie alebo aktivity. Cieľová molekula môže stratiť slučivosť s antibiotikom, transportný systém antibiotika môže byť obmedzený alebo vylúčený, a regulačné systémy či enzymatické aktivity môžu byť rovnako obmedzené alebo stratené. Tieto mutácie teda neposkytujú mechanizmus, ktorý by vysvetlil pôvod týchto bunkových systémov a aktivít.

Hoci takéto mutácie môžu byť považované za „prínosné“ pre prežitie baktérie v prostredí s antibiotikom, táto výhoda je dosiahnutá za cenu straty už existujúcej funkcie. Je to podobné ako v prípade, keď odstránime priečku v dome, aby sme zväčšili jedáleň. Aj keď môže byť väčšia jedáleň žiaduca (t. j. prínosná), proces odstránenia priečky nemožno považovať za príklad toho, ako bola priečka pôvodne postavená.

Evolúcia v Petriho miske

Výhoda prežitia baktérie vďaka mutácii je teda iba čiastočnou genetickou charakteristikou, ktorú by mutácie museli dosiahnuť na to, aby sa dalo hovoriť o „evolúcii v Petriho miske“. Takéto mutácie by museli zároveň zabezpečiť genetický základ pre spoločný „pôvod s modifikáciou“. Aj keď mnohí zastáncovia evolúcie tvrdia opak, molekulárne údaje o odolnosti voči antibiotikám naznačujú, že tieto mutácie nemôžu zabezpečiť mechanizmus potrebný na vývoj úrovne bielkovinovej špecificity alebo aktivity, ktorá je nevyhnutná pre normálnu funkciu bunky.

Hoci sú tieto mutácie výbornými príkladmi bakteriálneho prispôsobenia, predstavujú opačný typ mutačnej zmeny, než je potrebná na evolúciu. Napriek tomu sú to práve tieto príklady, ktoré evolucionisti často uvádzajú ako overiteľné ukážky „evolučnej zmeny“. Je zaujímavé, že tieto mutácie v skutočnosti poskytujú overiteľné príklady modelu stvorenia, pretože pôvodná zložitosť baktérie sa mutáciou zjednoduší.

Spontánna odolnosť voči antibiotikám

Spontánna prítomnosť odolnosti voči antibiotikám sa často označuje ako „získanie“ odolnosti, ale vhodnejšie by bolo hovoriť o stráte vnímavosti. Odolnosť voči antibiotikám teda vzniká v dôsledku straty už existujúcich systémov v bakteriálnej bunke. Takéto zmeny neposkytujú genetický mechanizmus pre vznik bunkových vlastností, ako je enzymatická špecificita, transportná aktivita, regulačná aktivita či slučivosť viažucej bielkoviny.

Napriek tomu evolucionisti naďalej tvrdia, že mutácie skutočne poskytujú genetický mechanizmus pre vznik biologickej aktivity a spoločný „pôvod s modifikáciou“, a neustále prezentujú tieto typy mutácií ako príklady evolučnej zmeny. Aj keď môžeme mutácie poskytujúce odolnosť voči antibiotikám považovať za „prínosné“, bývajú často zaplatené fyziologickou cenou (Andersson a Levin, 1999; Maisnier – Patin et al., 2002). Bjoerkman et al. (2000) konštatujú, že za väčšinu typov antibiotickej odolnosti baktéria zaplatí biologickú cenu.

Príklady biologickej ceny:

• Mycobacterium tuberculosis (Billington et al., 1999),
• E. coli (Reynolds, 2000),
• Staphylococcus aureus (Wichelhaus et al., 2002)

Všetky tieto baktérie získali odolnosť voči rifampinu v dôsledku mutácií RNA polymerázy, čo zároveň obmedzilo relatívne zdravie väčšiny mutantných kmeňov.

• Zdravie – V tomto kontexte sa pod pojmom „zdravie“ rozumie kondícia baktérie odolnej voči antibiotiku.

Hoci biologická cena tejto odolnosti zvyčajne nebola veľká, bola merateľná.

Odolnosť voči rôznym antibiotikám

• Odolnosť voči kanamycínu môže vzniknúť stratou alebo obmedzením syntézy transportnej bielkoviny OppA (Kashiwagi et al., 1998).
• Odolnosť voči ciprofloxacínu a imipenému môže byť spôsobená zníženou tvorbou porínu vonkajšej membrány OmpF (Armand-Lefevre et al., 2003; Hooper et al., 1987; Yigit et al., 2002).
• Vzostup odolnosti voči meropenému a cefepimu je spojený so stratou porínov OmpF a OmpC (Yigit et al., 2002).
• Enterobacter aerogenes sa môže stať odolným voči rôznym antibiotikám, ak mutácia výrazne obmedzí vodivosť membránového porínu (Dé et al., 2001).

Všetky vyššie uvedené odolnosti vyplývajú z obmedzenia alebo straty transportného systému. V prípade antibiotík, ako sú kanamycín, ciprofloxacín, imipeném, meropeném a cefepim, dochádza k zníženiu alebo strate permeability membrány v dôsledku mutácií porínov (napr. OmpF, OmpC) alebo transportných bielkovín (napr. OppA). Tieto mutácie teda vedú k obmedzeniu príjmu antibiotika do bunky, čo baktérii poskytuje výhodu prežitia v prítomnosti antibiotika.

• E. coli môže prežiť prítomnosť β-laktámov (ako je ampicilín) zastavením bunkového delenia, čím sa bunka stáva menej citlivou na smrteľný účinok antibiotika (Miller et al., 2004).

Biologická cena bakteriálnej odolnosti voči antibiotikám

Mutácie vedúce k odolnosti baktérií voči antibiotikám môžu často spôsobiť obmedzenie relatívneho zdravia organizmu. To znamená, že aj keď baktéria získava odolnosť, môže to byť spojené s poklesom jej kondície alebo rastovej schopnosti.

Príklady straty zdravia v dôsledku odolnosti:

• Helicobacter pylori – Mutácie zaisťujúce odolnosť voči klaritromycínu spôsobujú obmedzenie relatívneho zdravia organizmu (Bjoerkholm et al., 2001).
• Salmonella enterica – Odolnosť voči fluórchinolónom je spojená s vysokou biologickou cenou v podobe straty zdravia (Giraud et al., 2003).
• Staphylococcus sp. – Mutácie na fusA zabezpečujúce odolnosť voči kyseline fusidovej vedú k výraznej stráte „relatívneho zdravia“ (Gustafsson et al., 2003; MacVanin et al., 2000).
• Staphylococcus aureus – Odolnosť voči actinonínu je sprevádzaná dramatickou stratou zdravia, čo vedie k vážnemu narušeniu rastu baktérie (Margolis et al., 2000).
• Escherichia coli – Odolnosť voči streptomycínu môže dramaticky obmedziť rýchlosť biosyntézy bielkovín (Zengel et al., 1977).
• Bunkové delenie – Niektoré baktérie, aby minimalizovali vnímavosť voči ampicilínu, zastavujú bunkové delenie, čo jednoznačne obmedzuje celkové zdravie organizmu (Miller et al., 2004).

Niektoré baktérie, ktoré získali odolnosť voči antibiotikám, môžu časom eliminovať alebo zmierniť biologickú cenu pomocou reverzných alebo supresívnych mutácií. Tieto mutácie môžu stabilizovať pôvodnú mutáciu a čiastočne alebo úplne obnoviť zdravie baktérie (Andersson a Levin, 1999; Lenski, 1998; Massey et al., 2001).

Faktory ovplyvňujúce obnovu zdravia:

• Lokalizácia mutácie – Miesto, kde k mutácii došlo, môže ovplyvniť, či reverzná mutácia obnoví iba časť alebo celé zdravie divokého typu baktérie.
• Typ mutácie – Jediná mutácia nemusí byť schopná úplne obnoviť pôvodné zdravie, ale môže aspoň zmierniť negatívny vplyv.

Táto biologická cena relatívneho zdravia sa môže výrazne líšiť v závislosti od organizmu a typu antibiotika. Niektoré zmutované kmene baktérií môžu mať trvalo obmedzené zdravie, a to často aj dramaticky. V niektorých prípadoch sa tento efekt môže prejaviť aj po reverzných mutáciách, ktoré síce môžu čiastočne zlepšiť kondíciu baktérie, ale nie vždy úplne obnovia pôvodnú úroveň zdravia.

Pri testovaní relatívneho zdravia mutantov sa často používajú veľmi obmedzené kultivačné podmienky, ktoré môžu minimalizovať zistiteľnú stratu zdravia spôsobenú konkrétnou mutáciou. To môže viesť k záverom, ktoré nezohľadňujú dlhodobé alebo zložitejšie vplyvy na kondíciu baktérie. Na druhej strane, v prípadoch, keď mutácie následne podliehajú reverzným mutáciám, môže byť strata zdravia zanedbateľná. Preto môže byť účinok spontánnej odolnosti na bakteriálne zdravie variabilný a závislý od konkrétneho mutanta.

Kreacionistický pohľad na zdravie mutantov

Kreacionisti majú tendenciu zdôrazňovať význam obmedzeného zdravia u baktérií, ktoré sú odolné voči antibiotikám, pričom túto myšlienku uplatňujú na všetky takéto mutácie. Hoci mutácie často majú biologickú cenu spojenú so stratou už existujúcich biologických systémov a aktivít, táto cena nie je vždy úplne vykompenzovaná ani reverznými, ani supresívnymi mutáciami.

Za mutácie sa platí biologická cena vo forme straty už existujúcich bunkových systémov a funkcií. Aj keď tieto zmeny nemusia vždy viesť k detekovateľnému obmedzeniu zdravia, môžu byť v priamom protiklade k myšlienke spoločného „pôvodu s modifikáciou“.

Súhrn

Odolnosť voči antibiotikám a iným antimikrobiálnym látkam sa často prezentuje ako jasný príklad „evolúcie v Petriho miske“. Avšak podrobná analýza genetických udalostí, ktoré vedú k tejto odolnosti, ukazuje, že tieto zmeny nie sú v súlade s genetickými mechanizmami potrebnými pre evolúciu (definovanú ako spoločný „pôvod s modifikáciou“). Odolnosť, ktorá vzniká v dôsledku horizontálneho prenosu génov, iba zabezpečuje šírenie už existujúcich odolných génov medzi baktériami, ale nevysvetľuje pôvod samotných génov.

Horizontálny prenos génov nezabezpečuje mechanizmus pre pôvod samotných odolných génov, ale iba ich šírenie medzi baktériami. Aj keď je tento proces efektívny pri šírení odolnosti, nevysvetľuje vznik samotných génov, ktoré zabezpečujú odolnosť voči antibiotikám.

Spontánne mutácie môžu predstavovať potenciálny genetický mechanizmus pre vznik odolných génov, avšak tento pôvod nikdy nebol preukázaný. Všetky známe prípady odolnosti voči antibiotikám, ktoré sú dôsledkom mutácií, sú v rozpore s genetickými požiadavkami evolúcie. Tieto mutácie často vedú k strate už existujúcich bunkových systémov alebo aktivít, medzi ktoré patria:

• Poríny a iné transportné systémy
• Regulačné systémy
• Enzymatická aktivita
• Bielkovinné väzby

Relatívne zdravie a biologická cena

Antibiotická odolnosť môže byť spojená aj s poklesom „relatívneho zdravia“ baktérie. V niektorých prípadoch je tento pokles závažný, hoci u mnohých mutantov môže byť kompenzovaný reverznými mutáciami. Skutočná biologická cena však spočíva v strate už existujúcich systémov a aktivít. Ak sa odolnosť voči antibiotikám nestratí, tieto straty nie sú nikdy nahradené. Preto ich nemožno považovať za skutočné príklady evolučnej zmeny.

Aj keď baktéria môže prežiť v prítomnosti antibiotika, stratou určitých bunkových systémov sa zníži jej schopnosť fungovať v prostredí bez antibiotika, čo môže viesť k dlhodobému oslabeniu jej biologickej kondície.