Традиционные представления считают бактерии одиночными одноклеточными организмами, которые могут размножаться в клональные популяции.
Однако недавние исследования показывают сложные уровни взаимодействия между бактериальными клетками. В бактериальном сообществе клетки могут демонстрировать значительную специализацию, а не быть однородными, что придает популяции новые функциональные возможности, выходящие за рамки индивидуальных способностей. Фенотипическая диверсификация в популяциях патогенов может повысить выживаемость в стрессовых условиях, расширить нишу колонизации и увеличить экологический диапазон инфекционных заболеваний за счет появления коллективных патогенных характеристик.
Международная исследовательская группа под руководством Центра инфекционных исследований имени Гельмгольца (Германия) обнаружила новую стратегию, которую использует патогенный микроорганизм Pseudomonas aeruginosa для адаптации к своему хозяину. В журнале Proceedings of the National Academy of Sciences исследователи демонстрируют, что эпигенетические процессы могут приводить к появлению отдельных субпопуляций в генетически идентичных бактериальных популяциях. Эта гетерогенность может быть ключом к успешному развитию инфекции бактериями.
Pseudomonas aeruginosa — мастер выживания. Она процветает в почве и воде, а также в организме человека, особенно когда иммунная система ослаблена. В клиниках P. aeruginosa является одним из самых опасных патогенов: она может инфицировать раны, хронически колонизировать легкие и часто устойчива к множеству антибиотиков. Ее растущая лекарственная резистентность вызывает все большее беспокойство во всем мире. Авторы исследования обнаружили ранее неизвестный прием, используемый этой бактерией: P. aeruginosa может функционально организовываться различными способами в популяции идентичных клонов — как будто это не один микроорганизм, а сразу несколько. Такая диверсификация становится возможной благодаря механизму эпигенетической памяти, который сохраняет активность определенных генов на протяжении нескольких поколений. «Наши результаты показывают, что P. aeruginosa целенаправленно полагается на разнообразие, что позволяет ей адаптироваться к меняющимся условиям в организме человека», — объясняет ведущий автор исследования профессор Сюзанна Хаусслер.
Чтобы определить, какие из почти 6000 генов в геноме P. aeruginosa подвержены изменчивости, исследователи проанализировали многочисленные профили экспрессии генов бактерий, которых культивировали в абсолютно одинаковых условиях. Это показало, что ген glpD, который кодирует фермент, участвующий в метаболизме глицерина, является одним из самых изменчивых в своей экспрессии. Это удивительно, учитывая, что в чистой культуре бактерий каждая бактерия должна быть точной копией другой.
С помощью генной инженерии исследователи смогли продемонстрировать поведение этого гена в отдельных бактериях популяции: некоторые клетки экспрессируют этот ген на очень высоком уровне, в то время как большинство — нет. Исследователи выяснили, что эти различия возникают благодаря эпигенетическим механизмам переключения и создают своего рода память, которая наследуется несколькими поколениями клеток. Изменчивость экспрессии glpD во всей популяции имеет решающее значение для клинически значимых последствий. Например, бактерии с активной экспрессией glpD демонстрируют повышенную продукцию токсинов и подвижность, а также более выраженную индивидуальную способность патогена взаимодействовать с иммунными клетками. С другой стороны, бактерии с пониженной экспрессией glpD ведут себя более осторожно. Это разнообразие в популяции может позволить патогену одновременно атаковать и уклоняться от иммунной системы — потенциально решающее преимущество на ранних стадиях инфекции, гарантирующее, что часть популяции выживет даже в случае внезапной атаки.
«Это разнообразие внутри клональной популяции — не слабость, а умная стратегия выживания», — поясняет Хаусслер. «Оно позволяет патогену генерировать клетки с индивидуальными задачами в своей популяции, что приводит к успешным инфекциям и выживанию бактерий в организме хозяина». Исследователи объединили передовые методы анализа отдельных клеток, микроскопию и математическое моделирование. Их результаты показывают, что это внутрипопуляционное разнообразие может развиться даже из очень небольшого начального количества бактерий — например, когда всего несколько патогенов попадают в организм через рану или вдыхаются в легкие.
Исследование дает новое понимание того, почему инфекции P. aeruginosa так трудно лечить и искоренять в долгосрочной перспективе. Традиционные антибиотики и иммунная система могут быть неспособны воздействовать на все функциональные подтипы в бактериальной популяции. Это может открыть новые возможности для разработки терапевтических средств. В будущем эпигенетические механизмы, подобные обнаруженному, могут стать мишенями для новых лекарств, специально разработанных для ограничения адаптивности патогена к выживанию в организме пациентов.
