Anty.biotyki mają zawsze działania niepożądane..

Obecność antybiotyków w wymienionych środowiskach jest skutkiem zarówno aktywności zasiedlających je producentów tych związków, jak i wynikiem określonych działań człowieka.

Sugeruje się, że antybiotyki są wytwarzane przez mikroorganizmy środowiskowe od 500 milionów lat, a ich niektóre chemiczne komponenty, np. niezwykłe aminokwasy, mogą być nawet ewolucyjnie starsze. Współczesne osiągnięcia genomiki i metagenomiki w poznawaniu świata mikroorganizmów środowiskowych wskazują, że populacje tych drobnoustrojów mają zdolność wytwarzania ogromnej liczby małych, biologicznie aktywnych cząsteczek chemicznych, zwanych parwomem (parvome), o bardzo zróżnicowanej aktywności. Dla przykładu, ogromna taksonomiczna grupa bakterii należąca do Actinobacteria, obejmująca bardzo różne rodzaje, wytwarza w warunkach naturalnych miliony aktywnych biologicznie molekuł, z których większości nie można, jak dotychczas, wykryć w warunkach hodowli laboratoryjnych. Zaledwie niewielka część z nich została dotychczas zidentyfikowana jako związki o charakterze antybiotyków [9,28,36,91]. Szacuje się, że wyizolowano i scharakteryzowano tylko 1% antybakteryjnych związków wytwarzanych w naturze i tylko 10% naturalnie wytwarzanych antybiotyków .

Głównym, naturalnym rezerwuarem drobnoustrojów zdolnych do syntezy antybiotyków jest gleba zasiedlana przez antybiotykotwórcze bakterie i grzyby . Najbogatszym źródłem antybiotyków w glebie są promieniowce, zwłaszcza należące do rodzaju Streptomyces, którego przedstawiciele uznawani są za organizmy najbardziej aktywne w wytwarzaniu antybiotyków [9,89]. 70% znanych antybiotyków jest wytwarzanych przez ten rodzaj promieniowców . Antybiotyki są wytwarzane także przez inne bakterie, takie jak: Bacillus polymyxa, B. licheniformis, Pseudomonas fluorescens oraz przez grzyby np. Penicillium chrysogenum, Fusidium coccineum, F. griseum . Wspomniana wcześniej gleba nie jest jedynym środowiskiem, z którego izoluje się organizmy zdolne do syntezy związków antybakteryjnych. Poszukiwania nowych, aktywnych pod tym względem drobnoustrojów zaowocowały w ostatnich latach doniesieniami o izolacji takich szczepów również ze środowisk wodnych np. wód i osadów jeziora Tana w Etiopii  czy morskich wód u wybrzeża Indii .

Naturalnie produkowane antybiotyki (lub ich półsyntetyczne pochodne) stanowią zdecydowaną większość (ponad 80%) w ogólnej liczbie dostępnych w sprzedaży antybiotyków: 70 spośród 90 dostępnych w latach 1982- 2002 . Nie ma więc dzisiaj wątpliwości, że w środowiskach naturalnych znajduje się ogromna pula różnorodnych antybiotyków wytwarzanych przez zasiedlające je bakterie i grzyby. Trudno jest jednak ocenić w danej niszy ekologicznej ich stężenie i wszystkie spełniane przez nie funkcje biologiczne.

Oprócz antybiotyków wytwarzanych przez naturalnych producentów pula antybiotyków w środowisku w sposób znaczący powiększa się w wyniku kontaminacji gleb, wód czy ścieków antybiotykami wykorzystywanymi na bardzo szeroką skalę przez człowieka. Jakie są powody takiego ogromnego zapotrzebowania na antybiotyki, ich zużycia i w efekcie skażenia nimi środowiska? Od czasów odkrycia penicyliny przez Fleminga, antybiotyki są stosowane w medycynie oraz weterynarii do zwalczania chorób bakteryjnych ludzi oraz zwierząt. Alarmujące doniesienia o szerzeniu się lekooporności wśród patogenów bakteryjnych sprawiają, że obecnie aplikowanie antybiotyków przez klinicystów coraz częściej ma charakter terapii celowanej, stosowanej po zidentyfikowaniu czynnika etiologicznego danej jednostki chorobowej. Niestety, brak takiego racjonalnego postępowania obserwuje się w przypadku wykorzystywania antybiotyków – i to na bardzo szeroką skalę – w celach innych niż medyczne: w rolnictwie, do hodowli zwierząt, a zwłaszcza ryb. Obecnie szacuje się, że zużycie antybiotyków w celach niemedycznych dwukrotnie przewyższa ich wykorzystanie w lecznictwie ludzi.

Stosowane w rolnictwie od lat 50 ub.w. antybiotyki miały za zadanie przede wszystkim profilaktykę i pobudzenie wzrostu oraz zwiększenie wydajności produkcji zwierząt hodowlanych, stąd nazwano je antybiotykowymi stymulatorami wzrostu (ASW) . Opisana stymulacja spowodowana jest przez zwalczanie jelitowych patogenów zwierząt – w tym enterokoków – wywołujących przewlekły nieżyt jelit zwierząt hodowanych, a w konsekwencji lepsze wchłanianie składników pokarmowych, a przez to lepsze wykorzystanie paszy i obniżenie kosztów jej zużycia. W krótkim czasie nagminne stało się przepisywanie antybiotyków przez lekarzy weterynarii tylko w tym celu – bez wskazań leczenia schorzeń bakteryjnych (w Danii w latach 90 ub.w. 2/3 wszystkich antybiotyków stosowanych w hodowli świń i aż 90% w hodowli drobiu). Oprócz hodowli trzody chlewnej, bydła, królików i drobiu niektóre antybiotyki, np. oksytetracyklina, streptomycyna, stosowane są również w celach profilaktycznych w uprawach roślin i owoców oraz hodowli pszczół . Do antybiotyków najczęściej stosowanych w rolnictwie należały bądź wciąż należą: penicylina, chlorotetracyklina, oksytetracyklina (szeroko stosowane m.in. w Polsce), erytromycyna, awoparcyna, bacytracyna, wirginiamycyna, kolistyna i inne. Bardzo często, antybiotyki stosowane w rolnictwie były tymi samymi, których używano w lecznictwie ludzi.

Szeroko i bardzo często w sposób niekontrolowany stosuje się antybiotyki również w hodowlach zwierząt wodnych, zwłaszcza ryb, małż i krewetek. Farmy ryb zakładane na przybrzeżnych, słonych wodach wielu krajów (USA, Kanada, Norwegia, Chile, Chiny, Tajlandia, Wietnam, Taiwan) mają niekiedy bardzo duże powierzchnie i prowadzą intensywne hodowle. Na farmach tych zużywa się w celach profilaktycznych ogromne ilości antybiotyków, które są bezpośrednio dodawane do wody, co lokalnie powoduje znaczny wzrost stężenia antybiotyków zarówno w toni wodnej, jak i w osadach dennych, bezpośrednio pod farmami i w ich okolicy. Tysiące ton antybiotyków, które corocznie aplikowane są na ograniczone przestrzenie wodnych farm, powodują zaleganie niewyobrażalnych ilości tych związków, przez niespodziewanie długi okres czasu. Jako przykład można w tym miejscu podać liczby dotyczące zużycia antybiotyków w Chile: w 2007 r. na wyprodukowanie 1 tony łososia zużywano tu 1500 razy i 8 razy więcej niektórych antybiotyków oraz fluorochinolonów niż odpowiednio w Norwegii i Kanadzie! Z 940 ton antybiotyków zużytych w podanym roku w celach weterynaryjnych, zdecydowaną większość stanowiły te zużyte do hodowli łososia. Z osadów dennych wraz z prądami wodnymi antybiotyki mogą się rozprzestrzeniać na znaczne odległości i tym samym zanieczyszczać wody, które nie stykają się z farmami.

Do środowiska trafiają także antybiotyki stosowane w hodowli bydła, trzody chlewnej lub drobiu. Wydalane przez zwierzęta, jako nawóz (obornik, gnojowica) wciąż bardzo często są rozprowadzane przez farmerów na pola.W ten sposób zanieczyszczają glebę. Zależnie od grupy leków, składu mikroflory gleby i panujących warunków preparaty te mogą podlegać w środowisku biodegradacji, jednak wiele z nich (sulfonamidy, fluorochinolony, tetracykliny) ulega sorpcji na cząstkach gleby, co znacznie utrudnia i spowalnia te procesy. Antybiotyki pozostające w glebie mogą łatwo dostawać się do wód powierzchniowych. W obszarach rolnych zanotowano obecność antybiotyków nawet w wodach gruntowych, choć w zdecydowanie mniejszych stężeniach .

Co dzieje się z antybiotykami podawanymi w takiej ilości ludziom i zwierzętom? Czy związki te ulegają w całości przemianom metabolicznym? Co dzieje się z antybiotykami dodawanymi bezpośrednio do wody, które jak łatwo się domyślić, nie są w 100% spożyte przez zwierzęta? Przyjęta przez człowieka lub zwierzę dawka antybiotyku w procesach metabolicznych ulega degradacji w przedziale od 10-90%. Pozostała ilość leku w postaci niezmienionej, czyli wciąż aktywnej, wydalana jest z odchodami. Stąd, jeśli pochodzi od ludzi, trafia do ścieków komunalnych lub do szpitalnych systemów ściekowych. Brak wiedzy na temat zagrożeń zanieczyszczenia środowiska antybiotykami jest także niestety przyczyną spłukiwania do kanalizacji niewykorzystanych lub też przeterminowanych preparatów, co dodatkowo zwiększa ich ilość w ściekach. W licznych badaniach wykazano, że większość stosowanych antybiotyków nie ulega całkowitej eliminacji podczas tlenowych i  beztlenowych procesów biodegradacji stosowanych w oczyszczalniach ścieków. Część antybiotyków może być w nich także usuwana metodami fizyko-chemicznymi (sorpcja, filtracja na węglu aktywnym, metoda fotokatalityczna), które są jednak metodami kosztownymi, a ponadto w różnym stopniu skutecznymi wobec poszczególnych grup leków [62,73]. Niezdegradowane lub niewyeliminowane antybiotyki wraz z oczyszczonymi ściekami dostają się następnie do wód powierzchniowych zanieczyszczając je. Migracja z prądem powierzchniowych wód płynących sprawia, że rozprzestrzeniają się one w środowisku i bywa że przenoszone są w miejsca, wydawałoby się zupełnie pozbawione możliwości ich występowania. Pozostające w środowisku naturalnym antybiotyki mogą też ulegać biodegradacji, stając się dla niektórych drobnoustrojów źródłem składników odżywczych. Szybkość degradacji w środowisku zależy od różnych czynników, takich jak np. jego skład – zwłaszcza skład mikroflory, temperatura, wilgotność [25,66]. Antybiotyki syntetyczne i półsyntetyczne np. fluorochinolony, mniej podatne na procesy bakteryjnego rozkładu, są usuwane ze środowiska w mniejszym stopniu i często po znacznie dłuższym okresie czasu (ciprofloksacyna – po 3 miesiącach, a kwas oksolinowy po 5 miesiącach i to tylko w 20%).. Ponadto trzeba pamiętać, że mimo zachodzących procesów degradacji, niektóre środowiska naturalne w sposób ciągły są zasilane zanieczyszczeniami zawierającymi antybiotyki (odpływy oczyszczonych ścieków poszpitalnych, z gospodarstw hodowlanych) co powoduje ich stałe utrzymywanie się i rozprzestrzenianie.

Jakie są biologiczne skutki obecności antybiotyków w środowisku? Z punktu widzenia ekologii środowiska, jeśli stężenie antybiotyków lokalnie osiąga stężenie hamują- ce wzrost drobnoustrojów, np. w wyniku wspomnianej sorpcji w glebie, nagromadzenia w osadach – może dochodzić do zmiany w składzie mikroflory danego środowiska. W ten sposób zakłócona zostaje równowaga biologiczna danego ekosystemu, co prowadzi do zaburzeń w cyklach krążenia w przyrodzie wielu pierwiastków chemicznych, w tym biogennych. Zmienione lub zablokowane zostają np. procesy samooczyszczania wód czy gleb. Nagromadzenie materii organicznej na skutek zmiany dynamiki rozwoju poszczególnych grup mikroorganizmów może doprowadzić do deficytów tlenowych, powstawania warunków beztlenowych i gromadzenia szkodliwych gazów, które stają się dodatkowym czynnikiem limitującym w środowisku.

Niebezpieczeństwem jest także obecność antybiotyków w produktach i surowcach pochodzących z różnych zwierząt hodowlanych, spożywanych przez człowieka. Bezpośrednie zagrożenie polega na wywoływaniu reakcji alergicznych (np. penicylina), rakotwórczych (oksytetracyklina, furazolidon), nefropatii (gentamycyna) oraz negatywnym wpływie na naturalną mikroflorę jelita człowieka [26,66,76]. Przedstawiciele środowisk rolniczych protestujący przeciwko ograniczaniu stosowania antybiotyków w celach hodowlanych twierdzą, że do eliminacji antybiotyków z tkanek zwierzęcych wystarczy stosowanie zasad właściwej praktyki weterynaryjnej i hodowlanej (dawkowanie leków zgodnie ze wskazaniami, przestrzeganie okresów karencji po podaniu leku). Jednak obecny stan wiedzy na temat stopnia degradacji leków w tkankach, ale też bardzo częstego niestosowania się hodowców do prawnych regulacji o zastosowaniu antybiotyków, potwierdza słuszność dążeń do ograniczania ich użycia.

Spośród wszystkich negatywnych konsekwencji wywoływanych obecnością antybiotyków, do najbardziej niepokojących i zarazem najintensywniej badanych w ostatnim dziesięcioleciu należy narastająca lekooporność mikroorganizmów. Według klasycznej teorii, obecne w środowisku wzrostu drobnoustrojów antybiotyki selekcjonują oporne mutanty, noszące geny lekooporności, w tym także geny dotąd nieznane [52,53]. Długo uważano, że jedynym powodem wzrostu liczby lekoopornych szczepów jest istnienie takiej presji selekcyjnej. Okazało się jednak, że nawet bakterie, które nie były poddawane działaniu antybiotyków stawały się oporne. Z czasem stało się pewnym, że przyczyną tego jest istnienie horyzontalnego transferu genów (HTG) między drobnoustrojami, który za pomocą mobilnych elementów genetycznych może zachodzić również między gatunkami niespokrewnionymi ze sobą [4,7,11,78]. Szybkie rozprzestrzenianie się genów lekooporności wśród chorobotwórczych szczepów bakterii przekłada się na wzrost częstości zachorowań i zgonów ludzi. Według danych Europejskiego Centrum Prewencji i Kontroli Zakażeń (EDCD) oraz Europejskiej Agencji Leków (EMA) z 2009 r., w Unii Europejskiej rocznie ponad 25 tysięcy ludzi umiera na skutek chorób wywoływanych przez lekooporne szczepy bakterii. W ostatnich latach pojawia się również coraz więcej doniesień na temat przenoszenia genów lekooporności przez HTG także wśród drobnoustrojów środowiskowych oraz komensalnych, co oczywiście stanowi poważny problem w szeroko pojętym zjawisku lekooporności [19,20,43,64].

Przedstawione dane sprawiły, że rozpoczęto monitorowanie ilości zużycia antybiotyków przez człowieka. Postępowanie takie w dalszej kolejności doprowadziło do wprowadzania w niektórych krajach zakazu stosowania antybiotykowych stymulatorów wzrostu. Pierwszym takim europejskim krajem była Szwecja (1986 r.). Ważnym krokiem w ograniczeniu użycia antybiotyków było wprowadzenie przez Unię Europejską w 1998 r. zakazu stosowania jako ASW tych leków, które stosowano w lecznictwie ludzi. Od 2006 r., we wszystkich krajach członkowskich Unii Europejskiej, obowiązuje zakaz stosowania jakichkolwiek antybiotykowych stymulatorów wzrostu [1,66,76]. Niestety w wielu pozaeuropejskich krajach stymulacja wzrostu zwierząt hodowlanych antybiotykami oraz źle rozumiana i prowadzona profilaktyka chorób zakaźnych nadal są prowadzone w sposób niekontrolowany. W USA nadal dla uzyskania 1 kg mięsa lub jaj używa się 300 mg antybiotyków . Spośród około 16 tys. ton wyprodukowanych rocznie w tym kraju antybiotyków tylko około 30% jest stosowanych w leczeniu ludzi i zwierząt. Aktywność środowisk zainteresowanych ograniczeniem ilości stosowania w tym kraju antybiotyków, powoli zaczyna przynosić rezultaty w postaci konkretnych propozycji rozwiązań i regulacji możliwości użycia antybiotyków w rolnictwie . Podobnie brak jest kontroli wykorzystywania antybiotyków w rolnictwie np. w Rosji, w Chile czy w Chinach . Co groźniejsze, istnieją państwa, np. Sudan, w których antybiotyki są dostępne w aptekach bez recepty i są stosowane w leczeniu ludzi, zwierząt i w rolnictwie w sposób nieograniczony i zupełnie niezrozumiały dla chorych czy właścicieli farm.

Od lat dyskutowana jest rola jaką pełnią antybiotyki, zwłaszcza te pochodzące od naturalnych producentów. Ze względu na ich antybakteryjne właściwości pierwszą nasuwającą się hipotezą była oczywiście ta o ich roli w konkurencji między mikroorganizmami. Niewiele jest jednak doniesień, które potwierdzałyby słuszność takiej hipotezy, zwłaszcza że w wodach, glebach, osadach (na terenach niedotkniętych opisaną w poprzednim rozdziale działalnością człowieka) stężenia antybiotyków są wielokrotnie niższe od stężeń hamujących wzrost drobnoustrojów, znanych z zastosowań klinicznych . Również te związki, które wprowadzono do środowiska sztucznie przez człowieka, ulegają częściowej degradacji czy rozcieńczeniu i finalnie obecne są w środowisku w stężeniach, które określamy subinhibicyjnymi. Subterapeutyczne stężenia antybiotyków nie są charakterystyczne tylko dla środowisk naturalnych. Takie wartości stężeń osiągają niekiedy w tkankach związki antybakteryjne stosowane do eradykcji bakteryjnych patogenów ludzi czy zwierząt. Przyczyną powstawania w leczonym organizmie miejsc, w których preparat nie osiąga MIC (minimalnego stężenia hamującego) może być np. niewłaściwe jego stosowanie – nieodpowiednio dobrana dawka, zbyt krótki czas podawania, niezgodne z zaleceniami przerwy między przyjmowaniem kolejnych dawek. Zdarza się również, że tkankowoswoisty antybiotyk, w innych tkankach i narządach nie osiąga stężenia inhibicyjnego.

Zgromadzona w ostatnich latach wiedza pozwala postawić tezę, że antybiotyki obecne w środowiskach naturalnych w stężeniach subinhibicyjnych spełniają również funkcję ważnych cząsteczek sygnałowych, regulujących homeostazę w populacjach bakterii [27,54,65,92]. Przeprowadzone analizy transkryptomów dowiodły, że większość badanych antybiotyków w subinhibicyjnych stężeniach moduluje poziom transkrypcji 5-10% genów bakteryjnych. Co więcej, zmiany te dotyczą genów związanych z rożnymi procesami komórkowymi (metabolizmem węglowodanów, syntezą białek) oraz genów o nieznanej jak dotąd funkcji, a nie tylko genów związanych z docelowymi tarczami działania poszczególnych antybiotyków. W populacjach bakterii dochodzi do pojawiania się nowych fenotypów o charakterze adaptacyjnym [28,37,54,79].

Działanie subinhibicyjnych stężeń antybiotyków nie zawsze zwiększa poziom transkrypcji określonych genów. W zależności od rodzaju badanego antybiotyku, dla jednych genów obserwowano bardzo silną indukcję syntezy mRNA (10-100-krotne nasilenie), natomiast dla wielu innych znaczące hamowanie procesu transkrypcji [15,57,63,65,77,84]. Tak więc, niezależnie od docelowego miejsca działania, niskie dawki antybiotyków wpływają przez zmianę transkrypcji określonych genów na indukowanie w komórkach drobnoustrojów różnych typów odpowiedzi na stresy środowiskowe.

Ze zrozumiałych względów wiele uwagi poświęcono w ostatnich latach na analizę zmian w ekspresji genów kodujących czynniki wirulencji różnych chorobotwórczych bakterii, eksponowanych na działanie subinhibicyjnych stężeń antybiotyków. Zaobserwowano wielokrotnie, że stężenia takie powodowały nadekspresję tych genów. Wykazano np., że subterapeutyczne stężenia antybiotyków β-laktamowych nasilają ekspresję określonych genów w komórkach Staphylococcus aureus, co powoduje wytwarzanie przez bakterie grubszego biofilmu [47,81]. Podobne skutki zauważono po zastosowaniu subinhibicyjnych dawek imipenemu w stosunku do Pseudomonas aeruginosa  Ekspozycja szczepów S. aureus na subinhibicyjne stężenia ciprofloksacyny powodowała indukcję genów adhezyn wiążących fibronektynę  a niskie dawki klindamycyny czy tetracykliny zwiększały wytwarzanie gronkowcowych modulin – cytokin rozpuszczalnych w fenolu (PSMs) . Nadekspresja genów kodujących czynniki wirulencji niesie za sobą poważne konsekwencje z klinicznego punktu widzenia, gdyż może być powodem wzmożonej zjadliwości drobnoustrojów i zwiększania ryzyka zachorowań, a nawet śmiertelności pacjentów.

Nie zawsze jednak subinhibicyjne stężenia antybiotyków wpływają na bakterie w sposób, który opisano wyżej. Grimwood i wsp. zauważyli np. hamowanie ekspresji genów egzoenzymów u P. aeruginosa , z kolei inny zespół  donosił, że niskie dawki azytromycyny hamują ekspresję enzymów szlaku biosyntezy laktonów N-acylohomoseryny w komórkach drobnoustrojów tego gatunku. W tym ostatnim przypadku obserwowano więc zahamowanie zjawiska quorum sensing.

Ze względu na wzrost zainteresowania obecnością antybiotyków w środowiskach naturalnych i ich wpływem na szerzenie się zjawiska lekooporności, w ostatnich latach badaniom działania subinhibicyjnych stężeń antybiotyków poddano także szczepy środowiskowe. W badaniach tych również zauważono, że szczepy P. aeruginosa izolowane ze ścieków, po ekspozycji na subinhibicyjne dawki erytromycyny, roksitromycyny ale też sulfametoksazolu wytwarzały intensywniej biofilm . Udowodniono, że opisane wyżej zmiany są skutkiem indukowania w komórkach drobnoustrojów różnych typów odpowiedzi na stresy środowiskowe, takich jak indukcja regulonów RpoS czy SOS [39,54]. Indukcja regulonu RpoS wpływa na powstawanie ogólnej odpowiedzi na stres. Ten rodzaj odpowiedzi wywołuje w komórce skutki inne niż odpowiedź specyficzna. W odpowiedzi specyficznej komórka bakteryjna włącza system naprawy uszkodzenia wywołanego działaniem określonego czynnika stresującego. W odpowiedzi ogólnej bakterie zyskują szerszy zakres oporności, co pozwala im w przyszłości unikać uszkodzeń, a nie eliminować powstałe. W wywoływaniu ogólnej odpowiedzi na stres pośredniczy podjednostka δS (białko RpoS, δ38) polimerazy RNA. Podjednostka ta jest jedną z kilku podjednostek δ bakteryjnej polimerazy RNA i pierwotnie uważano, że przez rozpoznawanie promotorów genów fazy stacjonarnej kontroluje ich transkrypcję. Obecnie wiadomo, że regulon RpoS w warunkach stresu odpowiada za transkrypcję znacznie większej puli genów, nie tylko związanych z fazą stacjonarną. W komórkach Escherichia coli jest to związane m.in. z możliwością zastępowania, we wspomnianych warunkach, podstawowej jednostki δ70 (odpowiedzialnej np. za rozpoznawanie promotorów genów metabolizmu podstawowego) właśnie przez podjednostkę δS . Powoduje to transkrybowanie wielu genów kontrolowanych przez δS i umożliwia komórkom osiągnięcie zmian dotyczących kształtu, zmian w przebiegu szlaków metabolicznych, ale też wytwarzania czynników wirulencji. Wszystkie te zmiany są wyrazem adaptacji do nowych, niekorzystnych warunków [21,39,42]. Badania ostatnich lat wykazały, że również subinhibicyjne stężenia różnych klas antybiotyków (β-laktamów, aminoglikozydów) oraz fluorochinolonów wpływają na wywoływanie ogólnej odpowiedzi na stres, w której pośredniczy podjednostka δS . W komórkach traktowanych antybiotykami w takich stężeniach obserwowano wzmożoną indukcję regulonu RpoS .

Bakteryjny system SOS jest systemem odpowiedzi komórek na zagrażające życiu uszkodzenia DNA (działanie UV, mitomycyna C oraz fluorochinolonów). Jest to regulon zbudowany z ponad 42 genów , odpowiedzialny za hamowanie replikacji chromosomu i podziałów komórkowych, naprawę DNA i rekonstrukcję widełek replikacyjnych. W warunkach fizjologicznego wzrostu geny tego regulonu znajdują się pod kontrolą białka represorowego LexA. Jednoniciowe regiony DNA pojawiające się w miejscach uszkodzeń są sygnałem dla białek sensorowych RecBCD lub RecFOR, które prezentują uszkodzenia białku RecA. Białko RecA ulega aktywacji i stymuluje autokatalizę białkowego represora LexA. Następuje derepresja genów regulonu SOS związanych z naprawą DNA, w tym genów kodujących naprawcze polimerazy DNA: II, IV i V, które są odpowiedzialne za wprowadzanie mutacji w DNA i pojawianie się adaptacyjnych fenotypów . Narasta przekonanie, że również inne niż bezpośrednie uszkodzenia DNA, stresy, czynniki egzogenne i endogenne mogą pośrednio aktywować regulon SOS. Pierwszym przykładem endogennej, pośredniej indukcji tego systemu było wykazanie wpływu deficytu ATP w komórce, będącego wynikiem zahamowania ekspresji genu cya w głodzonych komórkach E. coli. Donoszono również o indukcji regulonu SOS w warunkach szoku cieplnego . Niezwykle interesującym fenomenem, nie do końca wyjaśnionym, jest indukcja systemu SOS E. coli w warunkach wysokiego ciśnienia hydrostatycznego. Za indukcję regulonu SOS jest odpowiedzialna także endonukleaza Mrr, która generuje podwójne pęknięcia nici DNA . Prawdopodobnie inna endonukleaza – TraI – wywołuje indukcję systemu SOS w głodzonych komórkach szczepów F’, generując podwójne nacięcia nici w rejonie operonu tra plazmidu F, zintegrowanego z chromosomem E. coli . Przypuszczalnie tym można tłumaczyć wcześniej opisane przez Cairnsa i wsp. mutacje adaptacyjne (rewertanty lac- /lac+ ), pojawiające się w niedzielących się komórkach E. coli, noszących w chromosomie zintegrowany plazmid F i zmutowany gen kodujący β-galaktozydazę .

Wykazano, że indukować system SOS może także wiele antybiotyków w stężeniach subinhibicyjnych. Bardzo dobrym przykładem tego zjawiska jest wpływ antybiotyków w takich stężeniach na indukcję syntezy toksyn Shiga w komórkach E. coli. Wspomniane toksyny są groźnym czynnikiem wirulencji enterokrwotocznych szczepów E. coli (EHEC). Uwolnienie toksyny z komórek bakteryjnych wywołuje groźne dla ludzi skutki, takie jak krwawe biegunki, które niestety, ze względu na powikłania, doprowadzają nawet do zgonu. Wykazano, że geny toksyn Shiga (geny stx) są umiejscowione w materiale genetycznym profagów zintegrowanych z genomem bakteryjnym w cyklu lizogennym. Indukcja odpowiedzi SOS będąca reakcją na stres związany z działaniem na komórkę bakterii leków, takich jak: mitomycyna C, ciprofloksacyna, trimetoprim-sulfametoksazol czy norfloksacyna powoduje uruchomienie cyklu litycznego bakteriofaga i derepresję genów toksyn Shiga, a w konsekwencji wydzielanie ich z komórek bakterii [13,60,61].

Inny ważny system obrony odkryto w komórkach E. coli i Klebsiella pneumoniae, chroni on drobnoustroje przed działaniem antybiotyków β-laktamowych. W tym przypadku, bakterie wykorzystują do indukcji systemu SOS dwuskładnikowy system transdukcji sygnałów komórkowych DpiBA, w odpowiedzi na działanie β-laktamów. Prowadzi to do przejściowego zahamowania wzrostu bakterii, a w konsekwencji pozwala komórkom na przeżycie letalnych stężeń β-laktamów, bowiem antybiotyki te wykazują aktywność bójczą jedynie w stosunku do komórek będących w fazie podziałów komórkowych [3,54,69]. System DpiBA jest zbudowany z operonu dpiBdpiA, w którym efektorowe białko DpiA nie tylko reguluje transkrypcję własnego operonu, ale także ma zdolność wiązania się z sekwencją bogatą w pary AT w regionie inicjacji replikacji chromosomu oriC. Antybiotyki β-laktamowe indukują ekspresję białek DpiB i DpiA, co prowadzi do kompetycji w wiązaniu się białek DpiA i DnaA z regionem oriC. Wynikiem tego jest hamowanie replikacji chromosomu, indukcja systemu SOS, w tym genu sfiA, co zapobiega polimeryzacji białka FtsZ i formowaniu przegrody komórkowej, a w następstwie powoduje przejściowe zahamowanie wzrostu komórek [69,74]. Zablokowanie indukcji systemu SOS przez mutację genów dpiA, recA lub sfiA bardzo znacząco zwiększa wrażliwość komórek bakterii na działanie antybiotyków β-laktamowych, co otwiera możliwości opracowania nowych, specyficznych preparatów o wzmożonej skuteczności terapeutycznej. Opisany sposób indukcji odpowiedzi SOS jest więc, w odróżnieniu od indukcji wywoływanej działaniem fluorochinolonów, niezależny od bezpośrednich uszkodzeń DNA.

Przez lata uważano, że populacja bakterii reaguje na obecność antybiotyków selekcją preegzystujących mutantów, które w dalszej kolejności rozprzestrzeniają się w środowisku. Z czasem stało się jednak pewnym, że bakterie w sposób czynny uaktywniają mechanizmy mutagenezy, zwłaszcza w warunkach stresowych, co pozwala im zyskać nowe przystosowanie. Indukcja systemu SOS przez subinhibicyjne stężenia antybiotyków niewątpliwie wzmaga częstość mutacji genomu oraz horyzontalny transfer mobilnych elementów genetycznych [14,22]. Na przykładzie wielu drobnoustrojów wykazano silne, mutagenne działanie fluorochinolonów (np. ciprofloksacyna, kwas nalidyksowy), stosowanych w subinhibicyjnych dawkach. Użycie ciprofloksacyny pięciokrotnie zwiększało częstość pojawiania się mutantów S. aureus  opornych na rifampicynę mutantów Streptococcus pneumoniae i opornych na karbapenemy mutantów P. aeruginosa . Zastosowanie ciprofloksacyny we wspomnianych dawkach wywoływało podobne efekty w komórkach Mycobacterium fortuitum, w których tempo mutacji rosło nawet 120-krotnie Zwiększenie częstości występowania mutantów w populacji bakterii obserwowano również po działaniu aminoglikozydów, jednak nie był to aż tak znaczący wzrost jak w przypadku działania fluorochinolonów czy opisywanych wcześniej β-laktamów.

Przedstawione dane skłaniają do zwrócenia uwagi na problem niewątpliwie nadmiernego stosowania antybiotyków oraz pojawiania się ich w różnych środowiskach w tzw. stężeniach subinhibicyjnych. Opisana wyżej skala bardzo często nieuzasadnionego stosowania antybiotyków sprawia, że rozprzestrzenianie się lekooporności wśród drobnoustrojów stało się obecnie problemem globalnym, a leki, które miały być naszym niezawodnym narzędziem walki z nimi, są w wielu przypadkach bezużyteczne. Ostatnie lata wywołały dyskusję o tym jakie zmiany powodują w drobnoustrojach antybiotyki, które nie osiągają bójczych, ale subinhibicyjne stężenia. Publikowane doniesienia dowodzą, że antybiotyki w takich warunkach mogą, jako związki sygnałowe, modyfikować ekspresję bardzo wielu genów, niekoniecznie związanych z docelową funkcją antybiotyków. Dochodzi do pojawiania się wśród drobnoustrojów nowych fenotypów o znaczeniu adaptacyjnym, opornych na działanie różnych czynników, w tym lekoopornych. W komórkach bakterii pod wpływem subinhibicyjnych stężeń antybiotyków wzrasta częstość mutacji, ale też dochodzi do intensyfikacji przenoszenia genów między komórkami w wyniku horyzontalnego transferu, co powoduje rozprzestrzenianie się genów lekooporności. Narastająca na ten temat wiedza zwraca uwagę na konieczność ograniczenia ilości niewłaściwego i bezzasadnego stosowania antybiotyków, ale przede wszystkim stałego monitorowania ich źródeł w różnych środowiskach. Istnieją wciąż kraje, w których brak jest danych o wielkości zużycia antybiotyków lub dane takie pochodzące z różnych źródeł bywają tak rozbieżne, że stają się niewiarygodne. Wciąż spotyka się informacje o braku przestrzegania regulacji prawnych czy nielegalnym handlu antybiotykami. Największym problemem wydaje się jednak brak świadomości o zagrożeniach płynących z zanieczyszczania środowisk antybiotykami oraz o nieodwracalnych zmianach w populacjach bakterii środowiskowych i klinicznych, wywoływanych podprogowymi dawkami tych preparatów. Stąd konieczne jest prowadzenie w najbliższej przyszłości dalszych, pogłębionych badań nad działaniem subinhibicyjnych stężeń antybiotyków, ale także zaplanowanie i wprowadzenie na szeroką skalę właściwej edukacji społeczeństwa na temat postępowania z antybiotykami, ograniczania ich zużycia i właściwej ich utylizacji.