Выживание сообщества часто зависит от коммуникации между особями, позволяющей им обмениваться стратегиями преодоления стресса и угроз. Бактерии ничем не отличаются от других. Чтобы выжить перед лицом своего главного врага - антибиотиков - бактерии разработали уникальные системы коммуникации.
Одна из таких бактерий - Streptococcus pneumoniae, основная причина тяжелой пневмонии с высокой смертностью, которая также становится все более резистентной ко многим антибиотикам. Бактерии могут распространять устойчивость, собирая и интегрируя полезную ДНК из окружающей среды - процесс, называемый компетентностью, - что позволяет им переносить угрозы и передавать эту способность дальше. Но как эта информация передается в популяции бактерий было неясно.
Недавно группа специалистов под руководством молекулярного микробиолога Патриса Поларда из Центра интегративной биологии (Франция) выяснила, как популяции пневмококков используют и распространяют компетенцию, чтобы противостоять антибиотикам. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Communications, показали, что компетенция распространяется по популяции подобно волне. Изучая этот процесс, ученые могут выяснить, как пневмококки переносят стресс и развивают резистентность к антибиотикам, что может помочь исследователям лучше управлять их распространением.
Полард и его коллеги начали свои исследования с создания штамма S. pneumoniae, который излучает флуоресцентные сигналы, когда клетка становится компетентной, что позволило исследователям проследить, как эта стратегия разворачивается в популяции культивируемых клеток. Первые несколько часов после обработки несмертельной дозой антибиотика стрептомицина прошли без происшествий: лишь несколько бактериальных клеток стали компетентными. Но к двухчасовой отметке стресс, вызванный антибиотиком, распространился по популяции, и количество клеток, проявляющих компетентность, достигло критического порога. Это вызвало появление компетентности в соседних клетках. Почувствовав опасность, компетентные клетки забили тревогу - вероятно, выпустив пептид, стимулирующий компетентность (CSP), молекулу, которая запускает компетентность, предупреждая соседние бактерии. «Идея заключается в том, что достаточно небольшого стресса, чтобы запустить эту штуку и вызвать временные изменения в популяции бактерий», - пояснил Дональд Моррисон, микробиолог из Университета Иллинойса, который не принимал участия в исследовании.
Однако не все клетки, пережившие воздействие антибиотика, реагировали одинаково: лишь некоторые из них подверглись трансформации. «Это диверсификация популяции», - отмечает Полард. «В популяции всегда есть некомпетентные и компетентные клетки. Таким образом, вы сохраните некоторые клетки и погубите остальную часть популяции, но в конечном итоге это будет полезно для всей популяции». Авторы исследования предполагают, что этот процесс может помочь бактериям выжить во время экологических стрессов, позволяя некоторым бактериям приобретать полезные гены и одновременно защищая от стресса часть клеток в популяции.
Чтобы определить, действительно ли компетентность помогает бактериям выжить, исследователи подвергли клетки длительной обработке антибиотиками, разрушающими ДНК. Они заметили, что компетентные клетки оказались лучше, чем их некомпетентные собратья, демонстрируя более высокую выживаемость и большую устойчивость к воздействию антибиотиков. Ученые предположили, что толерантность, обусловленная компетентностью, может быть вызвана снижением роста и изменением метаболизма. Чтобы проверить это, они сосредоточились на белке ComM, вызывающем компетентность, и который замедляет деление клеток. Генетическая делеция гена ComM в бактериях снижала способность компетентных клеток переносить различные антибиотики, что приводило к повышенной гибели клеток. Исследователи предполагают, что, задерживая деление клеток, ComM может помогать компетентным клеткам избегать репликации поврежденной ДНК. В настоящее время группа Поларда занимается поиском других генов, активируемых компетенцией, которые способствуют устойчивости пневмококков к стрессу, вызванному антибиотиками.
Полард и его коллеги обнаружили, что антибиотики, направленные на другие бактериальные процессы, такие как повреждение клеточной стенки или ингибирование трансляции белков, также вызывали широкое распространение компетентности в популяции. Хотя все антибиотики, протестированные в данном исследовании, оказывали схожее воздействие на компетентные клетки, исследователи намерены изучить, почему некоторые антибиотики оказываются более эффективными против компетентных клеток, чем другие.
Понимание компетентности бактерий важно не только для разгадки эволюции и адаптации бактерий, но и для продвижения исследований в области бактериальной генетики и разработки стратегий борьбы с резистентностью к антибиотикам. «Это простое открытие объясняет, что если вы не будете осторожны с антибиотиками, вы можете вызвать компетентность в течение переходного периода, и в результате могут развиться некоторые толерантные и резистентные клетки», - говорит Полард. «У пневмококка всего 2000 генов, и мы еще недостаточно понимаем его биологию, как он убивает людей, как распространяется», - подчеркивает он. "Исследования, посвященные компетенции, дают нам возможность выяснить, как эти тысячи генов способствуют распространению резистентности".
