Bakteriální rezistence není evolucí

Je odolnost bakterií vůči antibiotikům vhodným příkladem evoluční změny?

Kevin Anderson, Ph.D.

Přeložil M. T., říjen 2007 – tento článek vyšel poprvé v roč. 41, č. 4, str. 318 časopisu Creation Research Society Quarterly, vydávaném Společností pro výzkum stvoření.

V kostce

Evolucionisté často poukazují na vzrůst odolnosti vůči antibiotikům u bakterií jako na ukázku evoluční změny. Avšak molekulární analýza genetických událostí, jež vedou k odolnosti vůči antibiotikům, nepodporuje tuto všeobecnou domněnku. Mnoho bakterií se stane odolnými přijetím genů z plasmidů či transpozonů cestou horizontálního přenosu genů. Horizontální přenos však nevysvětluje původ odolných genů, jen jejich šíření mezi bakteriemi.

Odolnost vůči antibiotikům NENÍ důkazem evoluce (přednáška, 25 minut)

Na druhé straně mutace mohou sice možná vysvětlit původ odolnosti vůči antibiotikům ve světě bakterií, ale vyžadují takové mutační procesy, které jsou v rozporu s předpoklady evoluce. Takové mutace soustavně omezují či vylučují funkci transportních proteinů či porinů, slučivost vážící bílkoviny, aktivity enzymů, hnací sílu protonů či regulačních kontrolních systémů.

I když můžeme takové mutace považovat za „přínosné“ (prodlužují dobu přežití bakterie v přítomnosti antibiotika), vyžadují takové mutační procesy, které nezajišťují genetický mechanizmus pro společný „původ s modifikací“. Tyto mutace jsou také vykoupeny cenou relativní zdatnosti, nicméně reverzní mutace mohou opět obnovit většinu ne-li vše do původní bakteriální fitness. Pravá biologická cena zaplacená za tyto mutace je však v každém případě ztráta dříve existujících buněčných systémů či funkcí. Taková ztráta buněčné aktivity nemůže být proto pokládána za genetický prostředek podporující evoluci.

Plasmid = kruhová molekula DNA nesoucí jeden nebo několik genů, která může existovat v bakteriích mimo vlastní chromozom a nezávisle na něm se množit. Plasmid může být mezi bakteriemi předáván. Někdy obsahuje geny rezistence vůči některým antibiotikům.

Transpozon = sekvence DNA schopná změnit lokalizaci v genomu, tzv. „pohyblivý gen“. K přemístění může dojít s duplikací DNA nebo i bez ní, aniž by se někdy sekvence objevila volně.

Poriny = bílkovinné molekuly ve vnější membráně gramnegativních bakterií. Trimery sloužící jako kanálky. Změna povrchových struktur a cytoplasmatické membrány bakteriální buňky a její permeability dokáží zamezit vstupu antibiotika – jde o jeden z mechanismů vzniku odolnosti.

Úvod

Vzhledem ke svému rychlému množení, snadnosti laboratorní analýzy i široké škále mutantů vzniklých v laboratoři, jež můžeme získat, jsou bakterie popisovány jako výborný model pro studium procesů evoluce (Mortlock, 1984). Získání odolnosti vůči určitému antibiotiku zajišťuje bakterii jasnou výhodu v případě, že je tomuto antibiotiku vystavena. Takže získání odolnosti vůči antibiotiku je všeobecně citováno jako příklad „evoluční změny“, a stalo se populárním příkladem takzvané „evoluce na Petriho misce“. Miller (1999) píše o vývoji odolnosti vůči antibiotikům jako příkladu „tvůrčí síly“ evoluce. Barlow a Hall (2002) o ní mluví jako o „jedinečné příležitosti k pozorování evolučních procesů v průběhu pár desetiletí místo oněch několika tisíc let, která většinou takové procesy vyžadují“ (str. 314).

Petriho miska = (podle bakteriologa R . J. Petriho, 1852 – 1921), malá kulatá miska asi 10 mm hluboká, se skleněným převislým víčkem stejného tvaru, na biochemické, chemické a farmaceutické preparáty, zejména kultivaci mikroorganizmů. Převislý okraj víčka brání vzdušné kontaminaci obsahu, ne však přístupu kyslíku. (pozn. překl.)

Evoluce je často popisována prostě jako „změna“ či „změna ve frekvenci genů za určitý čas“ (Dillon, 1978; Johnson, 2000; Patterson, 1978) a evolucionisté téměř jednohlasně tvrdí, že jakákoli změna v genotypu (či dokonce fenotypu) je „změnou evoluční“. V tom případě by do této definice zapadala jakákoli biologická změna organizmu včetně odolnosti vůči antibiotikům. Avšak pouhá biologická změna zapadá i do modelu stvoření, a tak tato rádoby definice se vlastně nevymezuje vůči názorům kreacionistů. Taková definice také nespecifikuje typ změny (jako třeba zhoubná proti přínosné), a tak nepropůjčuje evoluční teorii žádnou předpovědní hodnotu.

A navíc, jakákoli změna, která (jak se má za to) přináší takzvanou „přínosnou“ adaptaci, je běžně pokládána za hnací sílu evoluce. Jistěže, některé mutace jako třeba odolnost vůči antibiotikům, mohou být přínosné, jelikož mohou zajišťovat organizmu zvýšenou schopnost přežít za velmi specifických podmínek v prostředí. Takže evolucionisté běžně konstatují, že genetických příkladů „evolučních změn“ je spousta a že kreacionisté jsou nuceni popírat tyto důkazy přítomné na každém kroku.

Avšak teorie evoluce tvrdí, že všechen život na Zemi měl společný původ. Všechen život tedy sdílí společného evolučního předka, z něhož se vyvinul, tzv. „původ života ze společného počátku“. V souhrnném konstatování tvrdí Darwin (1936), že „teorie původu s modifikací zahrnuje všechny členy téže velké třídy či říše…všechna zvířata i rostliny vyšly z nějakého jediného prototypu“ (str. 370). Pomocí tohoto společného „původu s modifikací“ si proto evoluční teorie činí nárok na vysvětlení původu a rozmanitosti všeho biologického vývoje na Zemi.

Společný „původ s modifikací“ je tedy vhodnější a funkčnější definicí evoluční teorie, a tento článek bude mluvit o evoluci v tomto kontextu. Tato definice také nese s sebou několik „předpokladů“ ohledně typů genetické změny nutných pro obecný původ ze společného předka (předpokladů, jež jsou v ostrém protikladu vůči „předpokladům“ modelu kreacionistického). Takové změny musí zahrnovat více než pouhé změny ve fenotypu; musí zahrnovat genetický mechanizmus řídící buněčné funkce a aktivity (tj. regulační systémy, dopravní systémy, enzymovou specificitu, slučivost vážící bílkoviny atd.).

Genetické změny, které omezují či vylučují jakýkoli z těchto buněčných systémů, neposkytují genetický mechanizmus pro společný „původ s modifikací“. Takové změny jsou vlastně spíše opakem tohoto vzestupného původu, jelikož omezují či ničí už existující soustavu biologické složitosti (jsou spíše společným „úpadkem s modifikací“). Tyto genetické změny proto neskýtají příklad genetického mechanizmu pro „evoluční“ získání schopnosti letu u nelétajících organizmů, schopnosti myšlení u organizmů nemyslících, schopnosti fotosyntézy u nefotosyntetizujících organizmů atd.

Teorie evoluce však vyžaduje, aby k takovým událostem docházelo a vyžaduje mutace schopné přivodit takové genetické změny. Předpoklady evoluce vyžadují tedy specifické druhy změn, ne pouze takzvané „výhodné“ mutace. A tak navzdory sebevědomým prohlášením, jež evolucionisté činí, je nanejvýš potřeba se ptát, zda získání odolnosti vůči antibiotikům je platným příkladem evoluční změny, jenž podporuje předpovědi evoluční teorie (tj. teorie společného „původu s modifikací“).

Horizontální přenos genů

Jeden způsob, jak mohou bakterie získat odolnost vůči antibiotikům, je cestou horizontálního přenosu genů odolných vůči antibiotikům. Takový přenos odolných genů je běžný (Gómez, 1998; Top et al., 2000), a je odpovědný za mnoho příkladů odolných bakterií. Avšak horizontální přenos vyžaduje pouze přenos odolných genů již přítomných v bakteriálním světě.

I když je horizontální přijetí odolných genů „přínosné“ pro ony bakterie, jež jsou vystaveny danému antibiotiku, neobjasňuje takový přenos genů původ či rozmanitost těchto genů. Samo o sobě pak nedokáže zajistit genetický mechanizmus pro vznik jakýchkoli genů odolných vůči antibiotikům v biologickém světě. Evoluce, vzhledem k procesu společného „původu s modifikací“, tvrdí, že umí vysvětlit původ a rozmanitost života na Zemi; avšak pouhé přesunutí již existujících genů mezi organizmy cestou přenosu genů nezajišťuje nutný genetický mechanizmus opravňující k tomuto tvrzení. Neumí ani vhodně vysvětlit současný vývoj jak biosyntézy antibiotika tak odolných genů – evoluční záhadu (Penrose, 1998). Horizontální přenos odolných genů nemůže tedy být považován za vhodný příklad „evoluce na Petriho misce“.

Mutace

Mutace definované jako jakékoli změny ve sledu DNA (Snyder a Champness, 2003) zajišťují jediný známý genetický mechanizmus pro získání nové genetické aktivity a funkce v biologickém světě. Ve světle tohoto faktu mají jedině mutace schopnost zajistit evoluci mechanizmus, který vysvětlí původ odolnosti vůči antibiotikům. Jedině odolnost vzniklá z mutace je tedy možným příkladem „evoluce v akci“ (tj. společného „původu s modifikací“).

V přítomnosti určitého antibiotika (či jiného antimikrobiálního prostředku) má jakákoli mutace, jež chrání bakterii před smrtícím účinkem této sloučeniny, jasně „přínosný“ fenotyp. Přírodní výběr se vším důrazem a jaksi přesně vybere ony odolné mutanty, které zapadají do rámce adaptivní reakce. Avšak molekulární analýza takových mutací odhaluje značný nesoulad mezi pravou povahou mutace a požadavky evoluční teorie.

Přehled některých fenotypických mutantů rezistentních vůči specifickým antibiotikům:

Proton = v biochemii vodíkový kation (pozn. překl.).

Bakteriální odolnost vůči antibiotiku, rifampinu, může být výsledkem obecně se vyskytující spontánní mutace. Rifampin brání přepisu bakterie tak, že překáží normální aktivitě polymerázy RNA (Gale et al., 1981; Leyin a Hatfull, 1993). Bakterie může získat odolnost genovou mutací podcelku beta polymerázy RNA, jenž je kódován genem rpoB (Enright et al., 1998; Taniguchi et al., 1996; Wang et al., 2001; Williams et al., 1998). Tato mutace dostatečně změní strukturu β subunit, takže ztratí specificitu pro molekulu rifampinu. Výsledkem je, že polymeráza RNA už nemá slučivost s rifampinem, a již není postižena omezujícím účinkem antibiotika.

Polymeráza = enzym katalyzující polymeraci.

Polymeráza RNA = enzym, který katalyzuje tvorbu RNA z prekurzoru, za přítomnosti již existující RNA jako šablony.

Je pravda, že hladina odolnosti vůči rifampinu, kterou může bakterie spontánně získat, může být extrémně vysoká. V mé laboratoři zcela běžně získáváme kmeny mutantů s hladinou odolnosti řádově několikrát vyšší než je hladina kmenů divokých. Pokud je přítomen rifampin, zajišťuje tato mutace rozhodnou výhodu pro přežití bakterie ve srovnání s oněmi buňkami, jež tyto specifické mutace nemají. Avšak každá z těchto mutací vyřazuje vazebnou slučivost polymerázy RNA s rifampinem. Ze své podstaty tedy tyto mutace nezajišťují mechanizmus odpovědný za původ této vazebné slučivosti, jen její ztrátu.

Spontánní odolnost vůči fluorchinolonům (jako třeba ciprofloxacinu či norfloxacinu) je též častou mutací u některých bakterií. Primárním cílem antibiotika je enzym, DNA gyráza, složený ze dvou bílkovin kódovaných geny gyrA a gyrB (Hooper a Wolfson, 1993). Genetická analýza zjistila, že odolnost vůči této třídě antibiotik může vznikat genovou mutací v jednom z těchto genů (Barnard a Maxwell, 2001; Griggs et al., 1996; Heddle a Maxwell, 2002; Heisig et al., 1993; Willmott a Maxwell, 1993). Tyto mutace v subjednotkách gyrázy zřejmě zaviňují dostatečně přizpůsobivou změnu gyrázy, takže její slučivost s fluorchinolony je omezena či ztracena. A opět, navzdory své „přínosné“ povaze, tyto mutace nezajišťují použitelný model, který vysvětlí původ slučivosti gyrázy s fluorochinolony.

Fluorochinolony = chinolony obsahující ve své molekule fluor. Patří k nim zejména chinolony III.generace (ciprofloxacin, ofloxacin aj.).

Gyráza = enzym důležitý pro správný průběh replikace DNA (též topoizomeráza II umožňující „zavíjení a rozvíjení“ replikované DNA). Inhibice bakteriální gyrázy je mechanismem účinků chinolonů, modifikace (mutace) gyrázy může být podstatou bakteriální rezistence k chinolonům (pozn. překl.).

Odolnost vůči streptomycinu může být též výsledkem spontánních bakteriálních mutací. V tomto případě blokuje streptomycin bakteriální syntézu bílkovin zřejmě navázáním se na 16S ribozomové RNA (část ribozomu) a přerušením ribozomální aktivity (Carter et al., 2000; Leclerc et al., 1991). K odolnosti na antibiotikum může dojít mutacemi na genu 16S rRNA, jenž omezuje slučivost streptomycinu s molekulou 16S (Springer et al., 2001). Omezení specifických aktivit při dopravě oligopeptidu vede také ke spontánní odolnosti některých antibiotik včetně streptomycinu (Kashiwagi et al., 1998). V těchto příkladech došlo k odolnosti jako k výsledku ztráty funkční složky/aktivity.

Oligopeptid = peptid tvořený několika (méně než 25) aminokyselinami.

Ztráta enzymatické aktivity může vyústit v odolnost vůči metronidazolu. Nitrobuněčný metronidazol musí být aktivován enzymem, než může fungovat jako antimikrobiální látka. K této aktivaci dochází pomocí enzymu NADPH nitroreduktázy. Pokud není metronidazol aktivován, nepůsobí proti rozvoji bakterie. Pokud tedy vypadne aktivita NADPH nitroreduktázy v buňce, metronidazol zůstane neaktivní. Ztráta aktivity reduktázy může vzniknout mutací nonsense či delecí na rdxA (Debets – Ossenkopp et al., 1999; Goodwin et al., 1998; Tankovic et al., 2000).

Navíc může být aktivita NADPH nitroreduktázy podstatně omezena jedinou mutací missense (jedinou změnou aminokyseliny), jež omezí její schopnost aktivovat metronidazol (Paul et al., 2001). Všechny tyto mutace ústí do ztráty enzymatické aktivity nutné pro to, aby byl lék v buňce účinný, a buňka se tak stává odolnou vůči metronidazolu. Avšak ztráta enzymatické aktivity nezajišťuje genetický příklad toho, jak se onen enzym původně „vyvinul“. Mutace zajišťující odolnost vůči metronidazolu nemohou proto být uváděny jako pravé příklady „evoluce na Petriho misce“.

Mutace nonsense = substituční mutace bodová, při které vzniká z jiného kodonu kodon terminační. Taková mutace způsobí předčasné ukončení translace příslušné bílkoviny a tím ztrátu nebo poškození její funkce.

Mutace missense = substituční mutace bodová, při které je změněn příslušný kodon způsobem, který vede k záměně aminokyseliny daným kodonem určené.

Některé bakterie včetně Escherichia coli používají odtokovou pumpu (efflux pump) mnohočetné antibiotické rezistence (MAR), jež zajistí bakterii odolnost vůči kombinovaným typům antibiotik včetně erythromycinu, tetracyklinu, ampicillinu a kyseliny nalidixové. Tato pumpa vypuzuje antibiotikum z buněčné cytoplazmy a pomáhá udržovat mezibuněčné hladiny antibiotik pod smrtelnou koncentrací (Grkovic et al., 2002; Okusu et al., 1996). Pumpa MAR je složena z bílkovin MarA a MarB, jejichž syntéza je blokována regulační bílkovinou, MarR (Alekshun a Levy, 1999; Poole, 2000). Mutace, jež omezují či vylučují represivní kontrolu MarR, zaviňují nadprodukci výtokové pumpy MarAB, jež umožňuje buňce vypuzovat vyšší koncentrace antibiotik či jiných antibakteriálních látek (Oethinger et al., 1998; Poole, 2000; Zarantonelli et al., 1999).

E. coli (Escherichia coli, vyslovuje se ešerišia koli) – druh gramnegativní bakterie z rodu Escherichia, čeledi Enterobacteriaceae, která se vyskytuje běžně v lidském trávicím ústrojí (tlustém střevu). V některých případech může způsobit infekce.

Escherich Theodor (vyslovuje se ešeriš, 1857 – 1911), německý pediatr, profesor pediatrie ve Vídni. Výborně ovládal bakteriologii a chemii, čehož využíval v péči o dětskou hygienu a výživu.

Bílkovina MarA působí také jako kladný regulátor tak, že stimuluje zvýšenou produkci jak bílkoviny MarA, tak MarB (Alekshun a Levy, 1999). Navíc bílkovina MarA nepřímo brání produkci porinu OmpF, kanálku v membráně, jenž umožňuje vstup některých antibiotik do buňky (Cohen et al., 1988). Proto zvýšená exprese MarA zvyšuje odtok antibiotik z buňky a omezuje dopravu některých antibiotik do buňky. Mutace marR, jež omezují expresi či aktivitu bílkoviny MarR, tak umožní nadprodukci odtokové pumpy MarAB (Linde et al., 2000; Okusu et al., 1996), a zajistí tak zvýšenou odolnost bakterie vůči různým antibiotikům (Eaves et al., 2004; Hans-Jorg et al., 2000; Notka et al., 2002). MarR defektní mutanti mají také zvýšenou toleranci bakterií vůči některým organickým chemickým látkám jako třeba cyklohexanu (Aono et al., 1998).

Exprese = v genetice označení aktivity genu a vyjádření jeho informace syntézou příslušného proteinu. Z celkového počtu cca 50 000 genů obsažených v každé buňce lidského těla je jich vždy aktivní jen zlomek. Řízení genové exprese je významný způsob určující funkci a diferenciaci buňky a jeho porucha je příčinou např. zhoubného bujení.

Mutace, jež zvyšují produkci této odtokové pumpy, umožňují těmto bakteriím přežít vystavení různým antibiotikům. Jde tedy v zásadě o mutaci přínosnou v případě, že je v prostředí antibiotikum přítomno. Avšak mutace, jež způsobí ztrátu regulační kontroly (v tomto případě tlumící bílkoviny – represoru MarR), nenabízí genetický mechanizmus, který může vysvětlit původ této regulační kontroly.

Represor = molekula, která se váže na určitý úsek DNA a brání (tlumí) tak aktivaci určitého genu.

V dalších příkladech: odolnost vůči erythromycinu může též vzniknou ztrátou úseku 11 bp (párových bází) genu 23S rRNA (Douthwaite et al., 1985) či z mutace, která mění konformaci 23S rRNA a omezuje slučivost ribozómu s antibiotikem (Gregory a Dahlberg, 1999; Vannuffel et al., 1992).

Konformace = prostorové uspořádání atomů v organické sloučenině umožněné rotací kolem jednoduché vazby.

Odolnost vůči chloramfenikolu byla získána vymazáním oblasti 12 párů bází v doméně II genu peptidyltransferázy (Douthwaite, 1992). Odolnost vůči cefalosporinům je spojována s dramatickou změnou kinetiky transportu v membráně, jež se podobá kmenům postrádajícím porin (Chevalier et al., 1999).

Doména = část molekuly bílkoviny s určitou vlastností, funkcí apod.

Peptidyltransferáza = enzym katalyzující adici skupin aminokyselin k rostoucímu polypeptidovému řetězci (při syntéze proteinů) pomocí peptidových vazeb. Peptidyltransferázová aktivita je vázána na ribozom (peptidyltransferázové místo).

Odolnost Staphylococcus aureus vůči actinoninu vyplývá z mutací, jež odstraňují expresi genu fmt (Margolis et al., 2000). Odolnost E. coli vůči zwittermicinu A je spojována se ztrátou hybné síly protonů (Stabb a Handelsoman, 1998). Tolerance penicilinu u Streptococcus gordonii může souviset se ztrátou regulační kontroly obloukového operonu (Caldelari et al., 2000). A E. coli může přežít přítomnost β-laktamů (jako je ampicillin) zastavením buněčného dělení, což učiní buňku méně citlivou na smrtelný účinek antibiotika (Miller et al., 2004).

Tyto odolné mutace popsané shora způsobují ztráty již existujících biologických systémů, včetně buněčného dělení a hybné síly protonů. Ačkoli přežití bakterie v prostředí antibiotika je „přínosným“ fenotypem, tyto mutace nezajišťují genetický příklad toho, jak každý z těchto systémů vznikl. Ze své podstaty tedy nezajišťují genetický prostředek ke splnění předpokladů společného „původu s modifikací“.

Operon = seskupení genů, které u bakterií vytvářejí funkční jednotku se společnou regulací.

Laktamy = cyklické amidy aminokyselin, sloučeniny obsahující v kruhu amidickou skupinu –CONH- nebo –CONR-.

Odolnost vůči jiným antibiotikům, jako třeba kanamycinu, může pocházet ze ztráty či omezení syntézy transportní bílkoviny (OppA) (Kashiwagi et al., 1998). Odolnost vůči ciprofloxacinu a imipenemu může být způsobena, alespoň zčásti, sníženou tvorbou porinu vnější membrány, OmpF (Armand-Lefevre et al., 2003; Hooper et al., 1987; Yigit et al., 2002). Vzestup odolnosti vůči meropenemu a cefepimu je též spojován se ztrátou OmpF, a dalšího porinu, OmpC (Yigit et al., 2002). A Enterobacter aerogenes se může stát odolným vůči různým antibiotikům, když mutace dramaticky omezí vodivost membránového porinu (Dé et al., 2001).

Všechny odolnosti popsané v předešlém odstavci vyplývají z omezení či ztráty transportního systému. Avšak genetické mechanizmy nutné pro evoluci by měly vysvětlit původ těchto různých transportních systémů. Mutace vedoucí k odolnosti vůči antibiotikům tedy nezajišťují nutné genetické změny pro „původ ze společného předka“. Spíše jsou geneticky neslučitelné s požadavky evoluce, protože každá z nich vyžaduje ztrátu už existující transportní aktivity.

Jako skupina vyžadují mutace spojované s odolností vůči antibiotikům ztrátu či omezení již existující buněčné funkce/aktivity, tj. cílová molekula ztratila slučivost s antibiotikem, antibiotický transportní systém byl omezen či vyloučen, regulační systém či enzymatická aktivita byly omezeny či vyloučeny atd.Tohle nejsou mutace, jež mohou vysvětlit původ oněch buněčných systémů a aktivit. I když by tyhle mutace určitě byly „přínosné“ pro přežití bakterie v přítomnosti antibiotika v prostředí, tahle výhoda existuje za cenu ztráty již existující funkce.

To je totéž jako když odstraníme přepážku v domě, abychom zvětšili jídelnu. I když tato větší jídelna může být žádoucí (tj. přínosná), mechanizmus odstranění přepážky nemůžeme právem vydávat za příklad toho, jak byla tato přepážka původně postavena. A tak i výhoda přežití bakterie díky mutaci je pouze částí genetické charakteristiky nutné pro mutace, aby dosáhly „evoluce v Petriho misce“. Takové mutace musí také zajistit genetický základ pro společný „původ s modifikací“. I když to přímo odporuje tvrzením činěným mnoha zastánci evoluce, molekulární data pro odolnost vůči antibiotikům jsou velmi jasná.

Tyhle mutace také nemohou zajistit mechanizmus, který pokračuje ve „vývoji“ úrovně bílkovinné specificity či bílkovinné aktivity, jež je nutná pro normální funkci buňky. I když jsou takové mutace výbornými příklady bakteriálního přizpůsobení se, jsou vlastně opakem mutační změny nutné pro evoluci. Ale jsou to právě tyhle příklady, které evolucionisté nabízejí coby ověřitelné ukázky „evoluční změny“. A je ironií, že tyto mutace jsou ve skutečnosti ověřitelnými příklady modelu kreačního – původní složitost zmutovavší na úroveň větší jednoduchosti.

O spontánní přítomnosti odolnosti vůči antibiotikům se často mluví jako o „získání“ odolnosti, ale vhodnější je považovat ji za ztrátu vnímavosti. Odolnost vůči antibiotikům tedy vyplývá ze ztráty již existujících systémů v bakteriální buňce. Takové změny jednoznačně nezajišťují genetický mechanizmus pro původ takových buněčných rysů jako je enzymatická specificita, dopravní aktivita, regulační aktivita či slučivost vážící bílkoviny. Avšak evolucionisté neustále tvrdí, že mutace skutečně zajišťují genetický mechanizmus pro původ biologické aktivity a společného „původu s modifikací“, a neustále nabízejí shora popsané typy mutací jako příklady.

Zdraví za odolnost vůči antibiotikům

I když můžeme mutace poskytující odolnost vůči antibiotikům považovat za „přínosné“, jsou často zaplaceny fyziologicky (Andersson a Levin, 1999; Maisnier – Patin et al., 2002). A vskutku, Bjoerkman et al. (2000) konstatují, že za většinu typů antibiotické odolnosti zaplatí organizmus /bakterie – poz. P. K.) biologickou cenu. Například odolnost vůči rifampinu u Mycobacterium tuberculosis (Billington et al., 1999), E. coli (Reynolds, 2000) a Staphylococcus aureus (Wichelhaus et al., 2002) plynula z mutací polymerázy RNA, jež také omezila relativní zdraví většiny mutantních kmenů. Ačkoli biologická cena, o níž mluví tito badatelé, nebyla většinou velká, byla měřitelná.

Zdraví = je zde myšleno „zdraví“ bakterie rezistentní vůči antibiotiku, poz. P. K.

Mutace zakládající odolnost Helicobacter pylori na clarithromycin omezují relativní zdraví organizmu (Bjoerkholm et al., 2001). Odolnost na vysoké hladiny fluorchinolonu u Salmonella enterica vyžaduje mutace, za které organizmus zaplatí vysokou cenu – ztrátu zdraví (Giraud et al., 2003). A mutace na fusA, které zajišťují odolnost Staphylococcus sp. vůči kyselině fusidové, mají za následek významnou ztrátu „relativního zdraví“ bakterie (Gustafsson et al., 2003; MacVanin et al., 2000). Odolnost S. aureus na actinonin také doprovází dramatická ztráta „zdraví“ bakterie ústící do vážného narušení růstu (Margolis et al., 2000). Odolnost E. coli na streptomycin může dramaticky omezit rychlost biosyntézy bílkovin (Zengel et al., 1977). A některé bakterie zruší buněčné dělení, aby minimalizovaly svou vnímavost vůči ampicillinu (Miller et al., 2004), což jednoznačně omezuje celkové zdraví organizmu.

Tato cena „relativního zdraví“ zdá se kolísá významně jak podle toho kterého organizmu tak antibiotika. Avšak mnoho z odolných mutantů, jež byly studovány, včetně některých mutantů shora zmíněných, může následně eliminovat něco či většinu zaplacené ceny reverzními či supresivními mutacemi, jež také stabilizují mutaci jako celek (Andersson a Levin, 1999; Lenski, 1998; Massey et al., 2001). Míra, v níž reverzní mutace nastolí opět zdraví bakterie, zřejmě závisí na místě, kde mutace proběhla, a na tom, zda jediná mutace je s to napravit jen něco nebo kompletní „zdraví“ divokého typu bakterie.

Jistě, že zdraví některých zmutovaných kmenů je omezeno trvale (někdy dramaticky), a je typické pro evolucionisty, že ignorují takové důsledky ve své horlivé snaze vydávat antibiotickou odolnost za „evoluci v Petriho misce“. Je faktem, že často testují relativní zdraví těchto mutantů za velmi omezených kultivačních parametrů, jež minimalizují zjistitelnou ztrátu zdraví pro danou mutaci. Na druhé straně je ztráta zdraví některých mutantů zanedbatelná (zvl. následuje-li reverzní mutace). Takže účinek spontánní odolnosti na bakteriální zdraví zdá se kolísá od mutanta k mutantu. Kreacionisté mají tedy patrně tendenci příliš zdůrazňovat význam omezeného „zdraví“ u bakterií odolných vůči antibiotikům v tom smyslu, že tuto myšlenku uplatňují u všech takových mutantů.

Za mutace se ovšem opravdu platí biologická cena, a to ztrátou už existujících biologických systémů a aktivit. Tato biologická cena není vykompenzována reverzními či supresivními mutacemi. Ačkoli takové mutace nemusí snad vždy vyústit v detekovatelné úrovně omezeného „zdraví“, figurují jako protiklad společného „původu s modifikací“.

Souhrn

O odolnosti vůči antibiotikům a jiným antimikrobiálním prostředkům se často hovoří jako o jasné ukázce „evoluce v Petriho misce“. Avšak analýza genetických událostí zapříčiňujících tuto odolnost odhaluje, že nejsou v souladu s genetickými událostmi nutnými pro evoluci (definovanou jako společný „původ s modifikací“). Odolnost plynoucí z horizontálního přenosu genů spíše pouze zajišťuje mechanizmus pro přenos již existujících odolných genů.

Horizontální přenos nezajišťuje mechanizmus pro původ oněch genů. Spontánní mutace sice zajišťuje potenciální genetický mechanizmus pro původ oněch genů, ale takový původ nebyl nikdy prokázán. Naopak, všechny známé příklady odolnosti vůči antibiotikům přes mutaci jsou neslučitelné s genetickými požadavky evoluce. Tyto mutace mají za následek ztrátu již existujících buněčných systémů/aktivit jako jsou poriny a jiné transportní systémy, regulační systémy, enzymatická aktivita a bílkovinné vazby. Antibiotická odolnost může také s sebou nést určitý pokles „relativního zdraví“ (v pár případech závažný), ačkoli u mnoha mutantů je to vyrovnáno reverzí. Pravá biologická cena však spočívá ve ztrátě již existujících systémů a aktivit. Pokud nedojde ke ztrátě rezistence, pak tyto ztráty nejsou nikdy nahrazeny a nemohou být legitimně vydávány za příklady skutečné evoluční změny.

Prameny

Andersson, D.I., and B.R. Levin. 1999. The biological cost
of antibiotic resistance. Current Opinion in Microbiology
2:489–493.
Aono, R., N. Tsukagoshi, and M. Yamamoto. 1998. Involvement
of outer membrane protein TolC, a possible member of the
mar-sox regulon, in maintenance and improvement of organic
solvent tolerance of Escherichia coli K-12. Journal of Bacteriology
180:938–944.
Alekshun, M.N., and S.B. Levy. 1999. The mar regulon: multiple
resistance to antibiotics and other toxic chemicals. Trends in
Microbiology 7:410–412.
Armand-Lefèvre, L., V. Leflon-Guibout, J. Bredin, F. Barguellil, A.
Amor, J.M. Pagès, and M.-H. Nicolas-Chanoine. 2003. Imipenem
resistance in Salmonella enterica serovar wien related to
porin loss and CMY-4 ß-lactamase production. Antimicrobial
Agents and Chemotherapy 47:1165–1168.
Barlow, M., and B.G. Hall. 2002. Phylogentic analysis shows that
the OXA β-lactamase genes have been on plasmids for millions
of years. Journal of Molecular Evolution 55:314–321.
Barnard, F.M., and A. Maxwell. 2001. Interaction between DNA
gyrase and quinolones: effects of alanine mutations at GryA
subunit residues Ser83 and Asp87. Antimicrobial Agents and
Chemotherapy 45:1994–2000.
Billington, O.J., T.D. McHugh, and S.H. Gillespie. 1999.
Physiological cost of rifampin induced in vitro in Mycobacterium
tuberculosis. Antimicrobial Agents and Chemotherapy
43:1866–1869.
Björkholm, B., I. Nagaev, O.G. Berg, D. Hughes, and D.I.
Andersson. 2000. Effects of environment on compensatory
mutations to ameliorate costs of antibiotic resistance. Science
287:1479–1482.
Björkholm, B., M. Sjölund, P G. Falk, O.G. Berg, L. Engstrand,
and D.I. Andersson. 2001. Mutation frequency and biological
cost of antibiotic resistance in Helicobacter pylori. Proceedings
of the National Academy of Science 98:14607–14612.
Caldelari, I., B. Loeliger, H. Langen, M .P. Glauser, and P. Moreillon.
2000. Deregulation of the arginine deiminase (arc) operon
in penicillin-tolerant mutants of Streptococcus gordonii.
Antimicrobial Agents and Chemotherapy 44:2802–2810.
Carter, A.P., W. M. Clemmons, D.E. Brodersen, R.J. Morgan-
Warren, B.T. Wimberly, and V. Ramakrishnan. 2000. Functional
insights from the structure of the 30S ribosomal subunit
and its interaction with antibiotics. Nature 407:340–348.
Chevalier, J., J.-M. Pagès, and M. Malléa. 1999. In vivo modification
of porin activity conferring antibiotic resistance to
Enterobacter aerogenes. Biochemical and Biophysical Research
Communications 266:248–251.
Cohen, S.P., L. M. McMurry, and S.B. Levy. 1988. marA locus
causes decreased expression of OmpF porin in multiple-antibiotic-
resistant (Mar) mutants of Escherichia coli. Journal of
Bacteriology 170:5416–5422.
Darwin, C. 1936. Origin of Species and The Descent of Man (Modern
Library Reprint Edition) Random House, New York.
De, E., A. Baslé, M. Jaquinod, N. Saint, M. Malléa, G. Molle, and
J.-M Pagès. 2001. A new mechanism of antibiotic resistance
in Enterobacteriaceae induced by a structural modification of
the major porin. Molecular Microbiology 41:189–198.
Debets-Ossenkopp, Y.J., R..G.J. Pot, D.J. van Westerloo, A.
Goddwin, C.M.J.E. Vandenbroucke-Grauls, D.E. Berg, P.S.
Hoffman, and J.G. Kusters. 1999. Insertion of mini-IS605
and deletion of adjacent sequences in the nitroreductase
(rdxA) gene causes metronidazole resistance in Helicobacter
pylori NCTC11637. Antimicrobial Agents and Chemotherapy
43:2657–2662.
Dillon, L.S. 1978. Evolution: concepts and consequences, C.V.
Mosby, St. Louis, MO.
Douthwaite, S. 1992. Functional interactions within 23S rRNA
involving the peptidyltransferase center. Journal of Bacteriology
174:1333–1338.
Douthwaite, S., J.B. Prince, and H.F. Noller. 1985. Evidence
for functional interaction between domains II and V of 23S
ribosomal RNA from an erythromycin-resistant mutant. Proceedings
of the National Academy of Science 82:8330–8334.
Enright, M., P. Zawadski, P. Pickerill, and C.G. Dowson. 1998.
Molecular evolution of rifampicin resistance in Streptococcus
pneumoniae. Microbial Drug Resistance 4:65–70.
Eaves, D.J., V. Ricci, and L.J.V. Piddock. 2004. Expression of
acrB, acrF, acrD, marA, and soxS in Salmonella enterica
serovar typhimurium: role in multiple antibiotic resistance.
Antimicrobial Agents and Chemotherapy 48:1145–1150.
Gale, E.F., E. Cundliffe, P.E. Reynolds, M.H. Richmond, and
M.J. Waring. 1981. The Molecular Basis of Antibiotic Action.
John Wiley & Sons, New York.
Giraud, E., A. Cloeckaert, S. Baucheron, C. Mouline, and E.
Chaslus-Dancla. 2003. Fitness cost of fluoroquinolone resis
tance in Salmonella enterica serovar Typhimurium. Journal
of Medical Microbiology 52:697–703.
Gómez, L.R. 1998. Evolution of bacterial resistance to antibiotics
during the last three decades. International Microbiology
1:279–284.
Goodwin, A., D. Kersulyte, G. Sisson, S.J.O.V. van Zanten, D.E.
Berg, and P.S. Hoffman. 1998. Metronidzole resistance in
Helicobacter pylori is due to null mutations in a gene (rdxA)
that encodes an oxygen-insensitive NADPH nitroreductase.
Molecular Microbiology 28:383–393.
Gregory, S.T., and A.E. Dahlberg. 1999. Erythromycin resistance
mutations in ribosomal proteins L22 and L4 perturb
the higher order structure of 23 S ribosomal RNA. Journal of
Molecular Biology 289:827–834.
Griggs, D.J., K. Gensberg, and L.J. Piddock. 1996. Mutations
in gyrA gene of quinolone-resistant Salmonella serotypes
isolated from humans and animals. Antimicrobial Agents and
Chemotherapy 40:1009–1013.
Grkovic, S., M.H. Brown, and R.A. Skurray. 2002. Regulation of
bacterial drug export systems. Microbiology and Molecular
Biology Reviews 66:671–701.
Gustafsson, I., O. Cars, and D.I. Andersson. 2003. Fitness of
antibiotic resistant Staphylococcus epidermidis assessed by
competition on the skin of human volunteers. Journal of
Antimicrobials and Chemotherapy 52;258–263.
Hans-Jörg, L., F. Notka, M. Metze, B. Kochanowski, P. Heisig,
and N. Lehn. 2000. Antimicrobial Agents and Chemotherapy
44:1865–1868.
Heddle, J., and A. Maxwell. 2002. Quinolone-binding pocket of
DNAgyrase: role of GryB. Antimicrobial Agents and Chemotherapy
46:1805–1815.
Heisig, P., H. Schedletzky, and H. Falkenstein-Paul. 1993. Mutations
in the gyrA gene of a highly fluoroquinolone-resistant
clinical isolate of Escherichia coli. Antimicrobial Agents and
Chemotherapy 37:696–701.
Hooper, D.C., and J.S. Wolfson. 1993. Quinoline Antimicrobial
Agents. ASM Press, Washington, DC.
Hooper, D.C., J.S. Wolfson, E. Y. Ng, and M. N. Swartz. 1987.
Mechanisms of action and resistance to ciprofloxacin. American
Journal of Medicine 82:4A:12–20.
Johnson, G.B. 2000. The Living World. McGraw-Hill, New
York.
Kashiwagi, K., M.H. Tsuhako, K. Sakata, T. Saisho, A. Igarashi,
S.O.P. daCosta, and K. Igarashi. 1998. Relationship between
spontaneous aminoglycoside resistance in Escherichia coli
and a decrease in oligopeptide binding protein. Journal of
Bacteriology 180:5484–5488.
Leclerc, D., P. Melancon, and L. Brakier-Gingras. 1991. Mutations
in the 915 region of Escherichia coli 16S ribosomal RNA
reduce the binding of streptomycin to the ribosome. Nucleic
Acid Research 19:3973–3977.
Linde, H.-J., F. Notka, M. Metz, B. Kochanowski, P. Heisig, and
N. Lehn. 2000. In vivo increased resistance to Ciprofloxacin
in Escherichia coli associated with deletion of the C-terminal
part of MarR. Antimicrobial Agents and Chemotherapy
44:1865–1868.
Lenski, R.E. 1998. Bacterial evolution and the cost of antibiotic
resistance. International Microbiology 1:265–270.
Levin, M.E., and G. F. Hatfull. 1993. Mycobacterium smegmatis
RNA polymerase: DNA supercoiling, action of rifampicin and
mechanism of rifampicin resistance. Molecular Microbiology
8:277–285.
MacVanin, M., U. Johanson, M. Ehrenberg, and D. Hughes.
2000. Fusidic acid-resistant EF-G perturbs the accumulation
of ppGpp. Molecular Microbiology 37:98–107.
Maisnier-Patin, S., O.G. Berg, L. Liljas, and D.I. Andersson.
2002. Compensatory adaptation to the deleterious effects of
antibiotic resistance in Salmonella typhimurium. Molecular
Microbiology 46:355–366.
Margolis, P.S., C.J. Hackbarth, D.C. Young, W. Wang, D. Chen,
Z. Yuan, R. White, and J. Trias. 2000. Peptide deformylase in
Staphylococcus aureus: resistance to inhibition is mediated by
mutations in the formyltransferase gene. Antimicrobial Agents
and Chemotherapy 44:1825–1831.
Massey, R.C., A. Buckling, and S.J. Peacock. 2001. Phenotypic
switching of antibiotic resistance circumvents permanent costs
in Staphylococcus aureus. Current Biology 11:1810–1814.
Miller, C., L.E. Thomsen, C. Gaggero, R. Mosseri, H. Ingmer,
S.N. Cohen. 2004. SOS response induction by ß-lactams
and bacterial defense against antibiotic lethality. Science
305:1629–1631.
Miller, K.R. 1999. Finding Darwin’s God. Harper Collins, New
York.
Mortlock, R.P. 1984. Microorganisms as Model Systems for Studying
Evolution. Plenum Press, New York.
Notka, F., H.-J. Linde, A. Dankesreiter, H.-H. Niller, and N.
Lehn. 2002. A C-terminal 18 amino acid deletion in MarR
in a clinical isolate of Escherichia coli reduces MarR binding
properties and increases the MIC of ciprofloxacin. Journal of
Antimicrobial Chemotherapy 49:41–47.
Oethinger, M., I. Podglajen, W.V. Kern, and S.T. Levy. 1998.
Overexpression of the marA and soxS regulatory gene in clinical
topoisomerase mutants of Escherichia coli. Antimicrobial
Agents and Chemotherapy 42:2089–2094.
Okusu, H., D. Ma, and H. Nikaido. 1996. AcrAB efflux pump
plays a major role in the antibiotic resistance phenotype of
Escherichia coli multiple-resistance (Mar) mutants. Journal
of Bacteriology 178:306–308.
Patterson, C. 1978. Evolution. Cornell University Press, Ithaca,
NY.
Paul, R., S. Postius, K. Melchers, and K.P. Schäfer. 2001. Mutations
of the Helicobacter pylori genes rdxA and pbp1 cause
resistance against metronidazole and amoxicillin. Antimicrobial
Agents and Chemotherapy 45:962–965.
Penrose, E. 1998. Bacterial resistance to antibiotics—a case of
un-natural selection. Creation Research Society Quarterly
35:76–83.
Poole, K. 2000. Efl lux-mediated resistance to fl uoroquinolones
in gram-negative bacteria. Antimicrobial Agents and Chemotherapy
44:2233–2241.
Reynolds, M.G. 2000. Compensatory evolution in rifampin-resistant
Escherichia coli. Genetics 156:1471–1481.
Springer, B., Y.G. Kidan, T. Prammananan, K. Ellrott, E. C.
Böttger, and P. Sander. 2001. Mechanisms of streptomycin
resistance: selection of mutations in the 16S rRNA gene conferring
resistance. Antimicrobial Agents and Chemotherapy
45:2877–2884.
Stabb, E.V., and J. Handelsman. 1998. Genetic analysis of zwittermicin
A resistance in Escherichia coli: effects on membrane
potential and RNA polymerase. Molecular Microbiology
27:311–322.
Snyder, L., and W. Champness. 2003. Molecular Genetics of
Bacteria. ASM Press, Washington, DC.
Taniguchi, H. H. Aramaki, Y. Nikaido, Y. Mizuguchi, M. Nakamura,
T. Koga, and S. Yoshida. 1996. Rifampicin resistance
and mutation of the rpoB gene in Mycobacterium tuberculosis.
FEMS Microbiological Letters 144:103–108.
Tankovic, J., D. Lamarque, J.-C. Delchier, C.-J. Soussy, A. Labigne,
and P.J. Jenks. 2000. Frequent association between
alteration of the rdxA gene and metronidazole resistance in
French and North African isolates Helicobacter pylori. Antimicrobial
Agents and Chemotherapy 44:608–613.
Top, E.M., Y. Moënne-Loccoz, T. Pembroke, and C.M. Thomas.
2000. Phenotypic traits conferred by plasmids. In Thomas,
C.M. (editor), The Horizontal Gene Pool, pp. 249–285. Harwood
Academic, Amsterdam, The Netherlands.
Vannuffel, P., M. Di Giambattista, E.A. Morgan, and C. Cocito.
1992. Identifi cation of a single base change in ribosomal
RNA leading to erythromycin resistance. Journal of Biological
Chemistry 267:8377–8382.
Wang, G., T. J. M. Wilson, Q. Jiang, and D.E. Taylor. 2001.
Spontaneous mutations that confer antibiotic resistance in
Helicobacter pylori. Antimicrobial Agents and Chemotherapy
45:727–733.
Wichelhaus, T.A., B. Böddinghaus, S. Besier, V. Schäfer, V. Brade,
and A. Ludwig. 2002. Biological cost of rifampin from the
perspective of Staphylococcus aureus. Antimicrobial Agents
and Chemotherapy 46:3381–3385.
Williams, D.L., L. Spring, L. Collins, L.P. Miller, L.B. Heifets,
P.R.J. Gangadharam, and T.P. Gillis. 1998. Contribution of
rhoB mutations to development of reifamycin cross-resistance
in Mycobacterium tuberculosis. Antimicrobial Agents and
Chemotherapy 42:1853–1857.
Willmott, C.J.R., and A. Maxwell. 1993. A single point mutation
in the DNA gyrase A protein greatly reduces the binding of
fl uoroquinolones to the gyrase-DNA complex. Antimicrobial
Agents and Chemotherapy 37:126–127.
Yigit, H., G. J. Anderson, J. W. Biddle, C. D. Steward, J. K. Rasheed,
L.L. Valera, J.E. McGowan, and F.C. Tenover. 2002.
Carbapenem resistance in a clinical isolate of Enterobacter
aerogenes is associated with decreased expression of OmpF
and OmpC porin analogs. Antimicrobial Agents and Chemotherapy
46:3187–3822.
Zarantonelli, L., G. Borthagaray, E.-H. Lee, and W. M. Shafer.
1999. Decreased azithromycin susceptibility of Neisseria
gonorrhoeae due to mtrR mutations. Antimicrobial Agents and
Chemotherapy 43:2468–2472.
Zengel, J.M., R. Young, P.P. Dennis, and M. Nomura. 1977. Role
of ribosomal protein S12 in peptide chain elongation: analysis
of pleitropic, streptomycin-resistant mutants of Escherichia
coli. Journal of Bacteriology 129:1320–1329.