Transferable integrative and conjugative element ICEtea carrying multidrug resistance genes in bovine mastitis- associated Streptococcus uberis

في عالم البكتيريا المجهري، يعتمد البقاء غالبًا على المشاركة. فعندما تواجه البكتيريا تهديدًا، مثل مضاد حيوي مصمم لقتلها، لا يتعين عليها دائمًا ابتكار دفاع خاص بها؛ بل يمكنها بدلاً من ذلك اكتساب درع جاهز من جارتها. هذه العملية، المعروفة باسم الانتقال الأفقي للجينات، تسمح للبكتيريا بتبادل التعليمات الجينية التي تمنح مقاومة للأدوية. وغالبًا ما تُحمل هذه التعليمات على عناصر جينية متنقلة، تعمل مثل حقائب ظهر صغيرة ذاتية التضاعف يمكنها الانفصال عن الحمض النووي لبكتيريا واحدة، والانتقال عبر المسافة، ثم الالتصاق ببكتيريا أخرى. ومن بين هذه الحقائب توجد العناصر التكاملية والاقترانية، أو ما يعرف بـ (ICEs). وخلافًا للبلازميدات، التي تطفو بحرية داخل الخلية، فإن هذه العناصر (ICEs) عادة ما تتكامل مباشرة في الكروموسوم الرئيسي للمضيف، وتختبئ في وضح النهار حتى تقرر الانتقال. وهذه القدرة على الاختباء ثم القفز بين أنواع مختلفة من البكتيريا تجعل منها محركًا قويًا لانتشار المقاومة للمضادات الميكروبية، وهي أزمة صحية عالمية تصبح فيها العدوى الشائعة أصعب في العلاج لأن الأدوية لم تعد تجدي نفعًا. إن فهم كيفية انتقال هذه العناصر، لا سيما بين الحيوانات والبشر، أمر بالغ الأهمية لحماية الصحة العامة.

لقد وجه فريق من الباحثين من اليابان اهتمامهم مؤخرًا إلى نوع معين من البكتيريا يسمى Streptococcus uberis، وهو سبب شائع لالتهاب الضرع، وهو عدوى تصيب ثدي الأبقار الحلوب. وبينما يعد التهاب الضرع قضية صحية للحيوان في المقام الأول، فإن البكتيريا المعنية يمكن أن تحمل جينات مقاومة قد تصل في النهاية إلى البشر. ركز العلماء على مجموعة من هذه البكتيريا الموجودة في قطعان الأبقار اليابانية لمعرفة ما إذا كانت تحمل عنصرًا متنقلًا معينًا أطلقوا عليه اسم "ICEtea". وقد اختير هذا الاسم ببساطة لأن العنصر يحمل جينات تحمي من ثلاث فئات محددة من المضادات الحيوية: التتراسيكلينات، والماكروليدات، والأمينوغليكوزيدات. ومن خلال تحليل المخططات الجينية لـ 217 سلالة مختلفة من بكتيريا S. uberis، بما في ذلك 37 سلالة تم تسلسلها حديثًا من المزارع اليابانية، اكتشف الباحثون أن هذا العنصر المحدد كان شائعًا بشكل مفاجئ؛ فقد كان موجودًا في 40 بالمائة من العزلات اليابانية التي فحصوها، ومع ذلك كان غائبًا تمامًا عن السلالات غير اليابانية التي قارنوها بها. وقد أشار هذا إلى أن العنصر قد انتشر على نطاق واسع داخل مجتمعات الأبقار اليابانية ولكنه لم يستقر بعد في المجتمع العالمي لهذه البكتيريا.

ولفهم ماهية "ICEtea" في الواقع، تعين على الباحثين النظر إلى ما هو أبعد من التوقعات الحاسوبية وإثبات قدرته على التحرك بمفرده. فقد أكدوا أن العنصر عبارة عن قطعة متميزة ودائرية من الحمض النووي بطول حوالي 66,000 وحدة بناء. وعندما يستقر داخل البكتيريا، فإنه يختبئ في نقطة محددة على الكروموسوم البكتيري، بجوار جين يساعد الخلية على بناء آلياتها الداخلية. ثم أجرى الفريق سلسلة من التجاروهات لمعرفة ما إذا كان هذا العنصر يمكنه القفز من بكتيريا إلى أخرى. لقد قاموا بخلط بكتيريا تحمل "ICEtea" مع بكتيريا لا تحملها، مهيئين ظروفًا تشجعهم على تبادل المادة الوراثية. وكانت النتائج واضحة: نجح "ICEtea" في الانتقال من البكتيريا المانحة إلى سلالات أخرى من S. uberis. والأهم من ذلك، أنه قفز عبر حواجز الأنواع، منتقلًا من بكتيريا الأبقار إلى بكتيريا مرتبطة بالبشر مثل Streptococcus agalactiae و Streptococcus pyogenes، وحتى إلى Staphylococcus aureus، وهو ممرض بشري شائع. وفي كل حالة نجح فيها الانتقال، اكتسبت البكتيريا المستقبلة القدرة على مقاومة المضادات الحيوية المحددة التي يحمي منها "ICEtea".

بحث الباحثون أيضًا عن هذا العنصر في بكتيريا مأخوذة مباشرة من البشر. فقد فحصوا 67 عينة من S. agalactiae، والتي يمكن أن توجد في جسم الإنسان، ووجدوا أن 6 بالمائة منها تحمل عنصرًا يشبه إلى حد كبير "ICEtea". ولم تكن هذه النسخ البشرية متطابقة مع نسخ الأبقار؛ فقد اكتسبت قطعًا إضافية من الحمض النووي وفقدت أخرى، مما يشير إلى أنها تطورت بشكل منفصل بعد الانتقال الأولي. وبالرغم من هذه التغييرات، إلا أنها احتفظت بالقدرة الجوهرية على الحركة وحمل جينات المقاومة. كما فحصت الدراسة التوزيع الأوسع لهذه العناصر عبر مجموعة واسعة من الأنواع البكتيرية، بما في ذلك تلك الموجودة في الخنازير وحيوانات أخرى. ووجدوا أنه بينما كان العنصر منتشرًا في الأبقار اليابانية وموجودًا في بعض البكتيريا البشرية والخنزيرية، إلا أنه لم يُعثر عليه في البكتيريا البشرية المحددة التي اختبرها الباحثون من مناطق أخرى، ولا في جينومات Streptococcus pyogenes التي حللوها. ويشير هذا النمط إلى أنه بينما يمتلك العنصر القدرة على الانتقال بين مضيفين مختلفين، فإن وجوده الحالي هو وجود جغرافي وبيئي متقطع.

كان أحد أهم النتائج هو كيفية حفاظ هذا العنصر على نفسه بمجرد انتقاله. فقد اكتشف الباحثون أن "ICEtea" يحمل مجموعة من الجينات التي تعمل كنظام أمني، مما يضمن عدم فقدان العنصر عندما تنقسم البكتيريا. كما أنه يحمل جينات تساعد البكتيريا على إنتاج مواد تقتل البكتيريا المنافسة، مما يمنح المضيف ميزة للبقاء. هذا الجمع بين القدرة على التنقل والحفاظ على الذات يفسر سبب شيوع هذا العنصر في قطعان الأبقار الحلوب في اليابان. كما تناولت الدراسة مخاوف شائعة تتعلق باستخدام المضادات الحيوية في الزراعة: وهي الخوف من أن علاج الأبقار قد يجعل العدوى البشرية مقاومة بشكل مباشر للأدوية المنقذة للحياة. ووجد الباحثون أنه بينما يحمل "ICEtea" مقاومة لعدة فئات من الأدوية، فإنه لا يحمل مقاومة لمضادات "بيتا-لاكتام"، وهي العلاج الأساسي للعديد من الالتهابات البكتيرية لدى البشر. وهذا يعني أنه بينما ينشر العنصر المقاومة لبعض الأدووة، فإنه لا يمس بشكل مباشر العلاجات الأكثر حرجًا المستخدمة في الطب البشري.

تقدم هذه الدراسة صورة واضحة لكيفية هيمنة عنصر مقاومة معين على مجتمع حيواني محلي وامتلاكه الآليات للقفز إلى البكتيريا المرتبطة بالبشر. لقد أثبت الباحثون أن العنصر ليس مجرد قطعة ثابتة من الحمض النووي، بل هو مركبة وظيفية قادرة على الانتقال بين الأنواع تحت ظروف المختبر. ومع ذلك، فقد أشاروا أيضًا إلى أنه بينما يمكن لعنصر "ICEtea" أن ينتقل بين الأبقار والبشر في أنبوب الاختبار، فإن الدراسة لم تثبت أن هذا الانتقال يحدث بشكل متكرر في العالم الحقيقي أو أنه المصدر الرئيسي للمقاومة لدى المرضى البشريين. إن وجود عناصر مماثلة في البكتيريا البشرية يشير إلى أن مثل هذه التبادلات قد حدثت في الماضي، لكن اتجاه السفر — سواء من الحيوان إلى الإنسان أو من الإنسان إلى الحيوان — لا يزال غير واضح. وتخلص الدراسة إلى أن مراقبة هذه العناصر المتنقلة، بدلاً من مجرد تتبع البكتيريا نفسها، يوفر رؤية أكثر اكتمالًا لكيفية انتشار المقاومة. ومن خلال فهم "حقائب الظهر" المحددة التي تحمل جينات المقاومة، يمكن للعلماء تتبع تدفق هذه التهديدات بشكل أفضل عبر الحدود بين الحيوانات والناس، مما يوفر مسارًا أوضح لإدارة مقاومة مضادات الميكروبات في عالم ترتبط فيه صحة الإنسان والحيوان ارتباطًا وثيقًا.