Фаги являются неотъемлемыми компонентами микробных экосистем, которые могут определять их функционирование и динамику, оказывая влияние на здоровье человека, биотехнологии и круговорот микроэлементов.
Огромное влияние фагов обусловлено тем, что они являются наиболее распространенными биологическими существами на Земле и одновременно эффективными хищниками. Они обладают высокой избирательностью в отношении ареалов обитания, что может вызвать специфические изменения в численности, разнообразии и взаимодействии микроорганизмов, которые могут изменить функционирование и стабильность экосистем. Они также оказывают сильное давление отбора на своих хозяев, которое может определять динамику экосистем в экологическом и эволюционном масштабах.
Эффективность хищничества фагов зависит от того, находится ли хозяин в поверхностно-ассоциированном состоянии (например, биопленки, колонии, агрегаты и т.д.). Это типично, поскольку большая часть микробной жизни связана с поверхностями. Поверхностная ассоциация может усиливать хищничество фагов за счет увеличения локальных концентраций фагов и продолжительности физических контактов с клетками хозяина. Однако поверхностная ассоциация может и подавлять хищничество фага, вызывая изменения в физиологии хозяина и местных условиях окружающей среды. Это включает формирование внеклеточного матрикса, который может замедлить транспорт фага к клеткам хозяина, создание областей с низкой метаболической активностью, менее восприимчивых к хищничеству фага, и индуцирование секреции молекул, ингибирующих фаг.
Поверхностная ассоциация также способствует процессу пространственной самоорганизации микроорганизмов, в ходе которого различные микробные популяции располагаются в пространстве в зависимости от своих особенностей, местных условий окружающей среды и взаимодействия с соседними клетками. В результате могут возникать пространственные схемы, которые физически защищают или подвергают клетки хозяина воздействию фагов. Хищничество фагов также может влиять на пространственную самоорганизацию и, в свою очередь, изменять локальные условия среды и взаимодействия. Таким образом, существует сложное взаимодействие между хищничеством фагов и пространственной самоорганизацией, которое может определять динамику и функционирование поверхностно-ассоциированных микробных экосистем.
В данном исследовании мы предположили, что хищничество фагов может способствовать распространению резистентности к антибиотикам, кодируемой плазмидами, путем изменения пространственной самоорганизации микроорганизмов. Точнее, мы предполагаем, что хищничество фагов увеличивает пространственное смешение различных микробных популяций во время поверхностно-ассоциированного роста, следовательно, увеличивает количество контактов клетка-клетка и способствует опосредованному конъюгацией переносу плазмид между ними.
Наша гипотеза основана на фундаментальных принципах поверхностно-ассоциированного роста микроорганизмов. Только клетки, расположенные на периферии биомассы, обычно имеют доступ к ресурсам, пополняемым из окружающей среды, и только эти клетки растут и способствуют образованию новой биомассы. Поскольку размеры их популяций невелики, они подвержены стохастическим флуктуациям, которые приводят к пространственной сегрегации различных микробных популяций по периферии биомассы, что называется пространственным смешиванием.
Говоря вкратце, интерфейсы между микробными популяциями стохастически изменяются во время поверхностно-ассоциированного роста, что может привести к слиянию соседних интерфейсов. Это снижает количество контактов клетка-клетка между различными микробными популяциями и вероятность переноса плазмид между ними. Однако фаги имеют более свободный доступ к клеткам, расположенным на периферии биомассы, которые подвергаются наиболее быстрому пространственному смешиванию, и, следовательно, с большей вероятностью будут хищничать на них. Поэтому мы ожидаем, что хищничество фагов замедлит пространственное смешение, сохранит больше контактов между клетками разных микробных популяций и будет способствовать переносу плазмид между ними. Иначе говоря, мы предполагаем, что хищничество фагов будет препятствовать доминированию одной микробной популяции на периферии биомассы и, следовательно, увеличит пространственное перемешивание и перенос плазмид.
Чтобы проверить нашу гипотезу, мы провели эксперименты по поверхностно-ассоциированному росту пар конкурирующих штаммов бактерии Escherichia coli в присутствии или отсутствии фага. Штаммы могли участвовать в опосредованном конъюгацией переносе плазмиды R388, которая является самотрансмиссивной и кодирует циановый флуоресцентный белок (CFP) и резистентность к хлорамфениколу. Один штамм мы назвали донором R388, а другой - потенциальным реципиентом. Мы объединили штаммы, вырастили их на богатых питательными веществами поверхностях, заразили литическим фагом T641 и проследили степень передачи R388 с помощью конфокальной лазерно-сканирующей микроскопии. Мы дополнили наши эксперименты индивидуальным вычислительным моделированием, чтобы проверить, как периферийное уничтожение, вызванное хищничеством фага, может изменить пространственную организацию микроорганизмов и увеличить перенос плазмид во время роста на поверхности.
На примере двух штаммов Escherichia coli мы продемонстрировали, что хищничество фагов замедляет пространственную сегрегацию штаммов в процессе роста. Это увеличивает число контактов клетка-клетка и степень конъюгационного переноса плазмид между ними. Основной механизм заключается в том, что хищничество фагов смещает место наиболее быстрого роста с периферии биомассы внутрь, где клетки плотно упакованы и выровнены ближе к параллели друг с другом. Это создает более прямые границы между штаммами, которые с меньшей вероятностью могут слиться друг с другом во время роста, что замедляет пространственную сегрегацию штаммов и усиливает передачу плазмид между ними.
Мы считаем, что наши результаты имеют непосредственное отношение к фаговой терапии. Фаговая терапия является перспективной стратегией борьбы с микробными инфекциями без использования химических антибиотиков, и поэтому обычно считается, что она не способствует распространению резистентности к антибиотикам. Однако наши результаты вызывают опасения, что использование хищных фагов может непреднамеренно увеличить пространственное смешение микробных популяций и способствовать контактно-зависимым механизмам горизонтальной передачи детерминант резистентности к антибиотикам. Поскольку фаговая терапия набирает обороты, мы должны признать, что хищничество фагов может иметь неожиданные последствия для динамики, функционирования и эволюции микробных сообществ благодаря их влиянию на пространственную самоорганизацию микроорганизмов.
В заключение следует отметить, что наше исследование выявило сложное взаимодействие между хищничеством фагов, пространственной самоорганизацией микроорганизмов и переносом плазмид. Это подчеркивает многогранную природу микробных экосистем и заставляет переосмыслить последствия фагового хищничества для эволюции микроорганизмов. Ярко выраженное влияние хищничества фагов на перенос плазмид может иметь решающее значение для понимания адаптивности микроорганизмов в различных средах, особенно в условиях распространения резистентности к антибиотикам. Такое понимание, вероятно, будет способствовать формированию стратегий управления микроорганизмами, биотехнологических разработок и терапевтических вмешательств.
