Бактериальные клетки ведут удивительно социальный образ жизни, обычно растут в прикрепленных к поверхности сообществах, состоящих из нескольких видов, называемых биопленками.
Там микроорганизмы вступают в жесткую конкуренцию друг с другом за питательные вещества и пространство. Эта конкуренция способствовала эволюции разнообразных социальных признаков, включая кооперативные фенотипы, такие как производство внеклеточных ферментов, способствующих росту клеток одного генотипа, а также агрессивное поведение, например, производство токсинов для снижения приспособленности потенциальных экологических конкурентов.
Многие из этих внеклеточных факторов и токсинов являются метаболически затратными для производства и эффективны только в высоких концентрациях. Таким образом, для достижения максимального эффекта они должны синхронно вырабатываться большим количеством клеток. Поэтому для регуляции таких фенотипов бактерии разработали систему коммуникации между клетками, называемую Quorum Sensing (QS), которая позволяет им отслеживать плотность своей популяции, а также чувствовать диффузность своего непосредственного окружения.
В системе QS каждая клетка производит диффузные химические сигналы для своих соседей, называемые автоиндукторами (АИ). По мере увеличения плотности популяции АИ накапливаются в среде до достижения критической пороговой концентрации. Затем это событие фиксируется клеточными рецепторами, расположенными либо на клеточной мембране, либо в цитоплазме, что приводит к активации целевого гена, который отвечает за формирование соответствующего, обычно дорогостоящего по энергозатратам, социального фенотипа. Процессы, регулируемые QS, включают инициацию формирования биопленки, экспрессию факторов вирулентности, подвижность и выработку антибиотических вещества. Однако известно, что у многих бактериальных штаммов отсутствует механизм зондирования сигналов QS, несмотря на наличие гена, ответственного за передачу сигналов в окружающую среду.
Учитывая решающую роль, которую играет QS в регуляции социальной активности бактерий, нарушение кворум-сенсинга может стать способом контроля роста бактерий. Этот процесс называется quorum quenching (подавление кворума) (QQ), который может происходить либо путем ингибирования ферментов, ответственных за производство сигнала, либо путем блокирования рецептора или деградации самого химического сигнала. QQ используется некоторыми видами бактерий для получения преимущества над своими конкурентами по QS.
Например, Bacillus licheniformis использует QQ, вырабатывая ферменты, которые разрушают сигнальные молекулы грамнегативных бактерий Vibrio, препятствуя образованию их биопленки. Variovorax paradoxus метаболизирует сигнальные молекулы, нарушая QS-системы конкурирующих видов (Leadbetter and Greenberg, 2000). QQ наблюдается и в системах хозяин-микробиом, где хозяин может препятствовать росту бактерий, воздействуя на системы коммуникации микробов "клетка-клетка". Эти явления естественным образом вдохновили на использование подавления кворума в качестве антимикробной стратегии (Subhadra et al., 2018). Одним из примеров является использование эпифитных бактерий в сельском хозяйстве для снижения инфекций растений путем нарушения кворумного зондирования патогенных бактерий (Dulla and Lindow, 2009). Повсеместное распространение механизмов QQ во взаимодействии бактерий и хозяина с бактериями указывает на то, что нарушение и/или манипулирование системами QS в контексте микробной конкуренции может быть заметно выигрышной стратегией.
Согласно теории сигнализации, сигнал считается честным, если он приносит пользу как отправителю, так и получателю сигнала. С другой стороны, сигнальное поведение, которое эволюционировало так, чтобы нанести вред получателю сигнала ради выгоды отправителя, называется "нечестным сигналом" (Dawkins and Guilford, 1991). Следует подчеркнуть, что в обеих ситуациях не предполагается никакого сознательного намерения. Цель данной работы - пролить свет на малоизученный тип взаимодействий при нарушении QS; уязвимость систем QS к нечестной сигнализации со стороны экологических конкурентов, синтезирующих тот же тип сигналов, что и фокальный вид QS.
Мы хотели бы выяснить, может ли вид бактерий извлекать пользу из посылки сигналов кворума в окружающую среду не для регуляции экспрессии собственных генов, а для снижения эффективности системы кворумного зондирования фокального вида бактерий в своей нише. Существование микробных видов, которые имеют только наполовину функционирующую систему QS, то есть могут посылать сигналы кворума, но не могут их воспринимать, часто документировалось. Например, было замечено, что бактериальные штаммы обычно имеют ген LuxS, который отвечает за производство сигналов АИ, но не имеют рецепторов АИ. Это привело к предположению о не QS роли гена LuxS, ограниченной только внутренними, несоциальными, метаболическими функциями (Winzer et al., 2002; Rezzonico and Duffy, 2008). Таким образом, цель данной работы двояка.
Во-первых, мы хотели бы установить потенциальную социальную роль существования только механизма производства сигналов кворума у бактериального штамма в контексте экологической конкуренции с фокальными видами QS, использующими ту же сигнальную молекулу. Далее возникает вопрос, приведет ли такая нечестная сигнализация к эволюции систем QS у фокальных видов, которые характеризуются значительной энергетической стоимостью сигнализации. Это означает, что для того, чтобы QS-бактерия имела QS-систему, которая все еще выгодна перед лицом нечестной сигнализации, ей придется метаболически вкладывать больше средств в свою сигнальную систему.
Стоимость сигнализации традиционно изучается в контексте сигнализации у животных (Maynard-Smith et al., 2003). Самцы различных видов животных используют сигналы, чтобы указать самкам на свои качества для достижения возможности спаривания. Концепция принципа гандикапа гласит, что для того, чтобы такие сигналы были надежными, они должны быть дорогостоящими для их производителя (Zahavi, 1975, 1977). Классическим примером является павлиний хвост, развившийся у самцов павлинов, чтобы сигнализировать о своей превосходной физической форме. Стоимость этого сигнала заключается в том, что он делает их более заметными для хищников. Следовательно, менее приспособленные павлины эволюционно менее заинтересованы в развитии ярких хвостов, поскольку выигрыш в плане привлечения самок будет перевешен их неспособностью нести издержки, связанные с большей уязвимостью для хищников.
Здесь необходимо различать два разных вида затрат. Затраты на эффективность - это затраты, необходимые для того, чтобы сигнал физически выполнил свою функцию. Например, некоторые виды птиц тратят 5-10% своей энергии на пение для привлечения самок. Однако, учитывая, что расстояние до самок обычно велико, эти затраты необходимы для того, чтобы их услышали. С другой стороны, стратегическая стоимость - это стоимость, которая развилась в результате влияния конкуренции и определяется как стоимость, необходимая для снижения возможности обмана (Maynard-Smith et al., 2003). Хотя теория сигнализации была успешно применена к конфликтам животных, в частности, к проблеме полового отбора, распространение таких идей на бактериальные конфликты требует собственной независимой системы.
Было описано, что виды микроорганизмов участвуют в "информационной войне", когда один вид может попытаться нарушить сигнальную систему других видов, регулирующих QS. Один из примеров происходит в микробиоме полости рта, где Streptococcus gordonii разрушает сигнальные пептиды, секретируемые Streptococcus mutans, которые используются последним для регуляции выработки бактериоцина, к которому чувствителен S. gordonii. Таким образом, экспрессия бактериоцина задерживается или даже предотвращается. Другой пример - совместные культуры Vibrio harveyi или Vibrio cholerae, когда одну из них выращивают с Escherichia coli. E. coli может производить или потреблять АИ в зависимости от фазы роста, а V. harveyi и V. cholerae являются примерами видов, которые используют сигнальную систему АИ. Следовательно, при совместном культивировании V. harveyi или V. cholerae с E. coli ранняя экспрессия функций, контролируемых АИ, будет происходить у обоих видов, когда E. coli сама продуцирует сигналы АИ, а задержка или отсутствие экспрессии этих функций будет происходить, когда E. coli потребляет сигналы АИ (Xavier and Bassler, 2005).
Такие примеры подчеркивают необходимость изучения факторов, влияющих на надежность микробных сигнальных систем перед лицом конкуренции, которая пытается их нарушить. Мы построили математическую модель конкуренции между фокальным видом QS и конкурентом, который обладает только способностью производить сигналы кворума, но не воспринимать их, чтобы ускорить экспрессию регулируемого QS фенотипа фокального вида. Эволюция только средств для производства сигналов может произойти путем горизонтального переноса генов от сигнального соперника. Также это может произойти в результате потери гена рецептора изначально функционирующей цепи QS. В любом случае, исследуются условия, при которых такая способность может дать эволюционное преимущество "нечестному" виду над фокусным видом QS. Мы предполагаем, что способность фокального вида QS противостоять нечестной сигнализации без снижения приспособленности будет возрастать с увеличением метаболических затрат его системы QS. И, наконец, мы проверяем эту гипотезу с помощью пространственного моделирования на основе отдельных особей.
Миру микроорганизмов присущи многочисленные источники неопределенности, различные возможные условия смешивания, различные соперники и различные уровни питательных веществ, которые могут привести к различной плотности популяции. На фоне всех этих неопределенностей QS играет ключевую роль в оптимизации выделения дорогостоящих продуктов, давая конкурентное преимущество штамму с кворум-чувствительностью над его конкурентами.
Таким образом, наши результаты дают альтернативное объяснение существованию только отправительского компонента системы QS у многих видов бактерий, которое коренится в социальных взаимодействиях с противниками QS. Более того, подобно эволюции антибиотикорезистентности как следствия существования антибиотиков, использование нечестных сигналов в микробных конфликтах приведет к тому, что штаммы, регулирующие кворум сенсинг, будут развивать системы QS со значительными метаболическими затратами, чтобы другим штаммам было сложнее вызвать преждевременное высвобождение дорогостоящих сигналов. И хотя некоторые типы молекул автоиндукторов, являются метаболически дешевыми, в нашей модели, однако, показано, что метаболическая стоимость самой молекулы не играет роли в исходе модели.
Ключевой переменной является метаболическое бремя, которое несет производитель, синтезируя сигналы. Недавние исследования (Ruparell et al., 2016) показывают, что даже система QS, использующая метаболически дешевую сигнальную молекулу, может наложить значительное бремя на штамм, регулируемый QS. Такое бремя может быть ценой честности.
