Бактерии постоянно подвергаются атакам бактериофагов.
Исследовательская группа под руководством Мартина Польца, микробиолога из Венского университета, изучила, как бактерии защищаются от вирусных хищников. Исследование показывает, что у бактерий есть сменные генетические элементы, специально предназначенные для защиты от вирусов, что позволяет бактериальной популяции удивительно быстро переключать свой врожденный иммунитет. Вопрос о том, как и насколько быстро бактерии вырабатывают устойчивость к вирусам, имеет огромное значение для разработки фаговых методов лечения бактериальных инфекций. Результаты исследования "Быстрый эволюционный оборот мобильных генетических элементов определяет бактериальную резистентность к фагам" опубликованы в журнале Science.
Будучи микробными хищниками, фаги в значительной степени влияют на формирование разнообразных сообществ микроорганизмов, которые играют важную роль во всех средах, для всех живых организмов, а также для здоровья человека. Кроме того, в связи с растущей резистентностью к антибиотикам, фаги считаются перспективной альтернативой антибиотикам при лечении бактериальных инфекций. "Люди действительно использовали фаги в самом начале для борьбы с бактериями. Однако затем их заменили антибиотиками, поскольку взаимодействие между вирусами и бактериями было еще плохо изучено", - рассказывает Польц. Исследовательский проект, который он инициировал вместе со своей группой в Массачусетском технологическом институте, позволил выяснить суть этого взаимодействия.
"Каждая бактериальная клетка имеет набор защитных генов, которые позволяют ей уничтожать определенные вирусы", - объясняет Польц. "Наше исследование показывает, что эти защитные гены очень быстро обмениваются между бактериальными клетками. Это возможно потому, что они интегрированы в так называемые мобильные генетические элементы, которые сами контролируют, переходят ли они из одной клетки в другую и когда". Каждая бактерия обладает не только основным геномом, который она разделяет со всеми другими бактериями своего вида, но и содержит мобильные генетические элементы. Этот мобильный, взаимозаменяемый геном может отличаться у разных бактерий, при этом его общая функция остается малоизученной. Исследование показывает, что он в первую очередь служит одной цели: защите от фагов. Соответственно, борьба с вирусами определяет обмен геномами и, таким образом, эволюцию бактерий. "Полученные данные подчеркивают важность противофаговой защиты в мире микроорганизмов", - комментирует Польц. По его словам, благодаря точному анализу этих защитных островков ученые решили загадку, которая занимала исследователей на протяжении последнего десятилетия.
В течение трех месяцев исследователи ежедневно собирали образцы воды на побережье Новой Англии, чтобы изучить взаимодействие между Vibrio и теми вирусами, которые взаимодействуют с ними в их реальной среде обитания. Используя геномный анализ, они наблюдали чрезвычайно быстрые эволюционные изменения: на протяжении 93 дней исследования отдельные бактерии развивали специфические резистентности посредством обмена мобильными генетическими элементами. "Хотя общепризнано, что фаги определяют эволюцию бактерий, то, как эта динамика проявляется в природе, остается малоизученным. Мы обнаружили, что восприимчивость к вирусному киллингу у морских Vibrio опосредуется крупными и очень разнообразными мобильными генетическими элементами. Эти элементы защиты от фагов демонстрируют чрезвычайно быстрый эволюционный процесс, что приводит к различиям в восприимчивости к фагам среди клонированных бактериальных штаммов, в то время как рецепторы фагов остаются неизменными. Отмечу, что ранее предполагалось, что бактерии защищаются от вирусов в основном путем модификации рецепторов, расположенных на их поверхности", - объясняет Польц. "Это означает, что в природе бактерии могут выработать резистентность к определенным вирусам в течение нескольких недель или месяцев".
Эта защита является кумулятивной, и один бактериальный геном может содержать от 6 до 12 защитных элементов, что составляет более 90% мобильного генома среди близких родственников. Быстрая смена этих элементов отделяет устойчивость к фагам от других геномных особенностей. Таким образом, устойчивость к фагам в дикой природе следует эволюционным траекториям, альтернативным тем, которые были предсказаны в лабораторных эволюционных экспериментах. Фаги и бактерии взаимодействуют очень специфично. Поэтому вирусные атаки успешны только на отдельные бактерии. В исследовании показано, благодаря тому что защитные гены очень разнообразны и очень быстро обмениваются в популяции всегда есть большое количество устойчивых особей. Результаты исследования не только дают фундаментальные знания о том, как функционируют микробные сообщества. Они также указывают на проблемы в борьбе с бактериями с помощью фагов:
"Быстрое приобретение устойчивости должно быть принято во внимание при разработке фаговых терапий, именно потому, что мобильные генные элементы, подобные тем, которые мы изучали, также ответственны за быстрое развитие резистентности к антибиотикам".
