Малоизвестная группа фагов дает представление об элементах микробиологической войны и о идеях по созданию новых антибиотиков.
Хотя многие вирусы убивают своих хозяев, не все они вредны. На самом деле, некоторые из них даже приносят пользу клеткам, которые они заражают. Например, умеренные фаги - это вирусы, способные безвредно размножаться внутри определенных штаммов бактерий. Микробиологи давно поняли, что эти фаги могут помогать своим основным хозяевам заражать и уничтожать конкурирующие штаммы. Но оказывается, что некоторые умеренные фаги могут изменять бактериальное поле битвы, даже не покидая уютных границ своих клеток-хозяев. Недавнее исследование, опубликованное в журнале Science Advances, показало, что некоторые виды умеренных фагов, называемые теломерными фагами, обладают ранее неизвестной способностью: они снабжают своих хозяев генетическими схемами токсинов, что дает бактериям оружие для уничтожения своих конкурентов.
Тревор Литгоу, микробиолог из Университета Монаша (Австралия), возглавлявший исследование, в целом интересовался бактериофагами, но изначально не ставил перед собой задачу открыть что-то новое. Прежде всего его интересовали особенности поверхности, которые определяют, как лекарственно-устойчивый штамм бактерий Klebsiella pneumoniae взаимодействует с окружающей средой. K. pneumoniae являются обитателями микробиома кишечника человека, которые могут вызывать проблемы, когда они попадают в другие части тела.
Группа Литгоу начала с секвенирования генома этого микроорганизма. Довольно просто получить хорошее представление о генетическом коде бактерии, используя секвенирование с коротким считыванием, которое включает в себя фрагментацию ДНК клетки, считывание каждого фрагмента, а затем итоговую сборку фрагментов в единую последовательность. Но этот метод не гарантирует идеальной повторной сборки. Кроме того, он не позволяет распознать фрагменты ДНК, которые находятся внутри бактерии, но отделены от ее генома. Эти дополнительные фрагменты ДНК, называемые плазмидами, не содержат необходимых генов, которые поддерживают жизнь бактерии, но они часто могут давать уникальные преимущества, такие как резистентность к антибиотикам или способность перерабатывать новые питательные вещества.
Поскольку Литгоу планировал провести тщательное исследование этого штамма K. pneumoniae, он также привлек стороннюю помощь для проведения секвенирования с длительным считыванием, которое позволит выделить эти дополнительные фрагменты ДНК. “Человек, который проводил секвенирование и анализ данных, сказал: ”О, я думаю, что там есть теломерный фаг", - рассказал Литгоу. “И нам, конечно же, всем пришлось поспешить в PubMed, чтобы выяснить, что такое теломерный фаг, потому что никто раньше о нем не слышал”. Они узнали, что теломерные фаги - это ДНК-вирусы, покрытые структурами, похожими на теломеры, которые являются концами человеческих хромосом, которые, как известно, укорачиваются с возрастом.
Литгоу и его коллеги проверили, часто ли эти вирусы инфицируют K. pneumoniae. Они изучили ранее опубликованные геномы других штаммов бактерий и обнаружили, что более 10% из них содержат последовательности, которые на самом деле принадлежат активно реплицирующимся теломерным фагам. Более того, многие другие штаммы бактерий содержали несколько остаточных генов, оставшихся от перенесенной инфекции. В совокупности эти результаты позволили предположить, что теломерные фаги не только широко распространены среди современных штаммов K. pneumoniae, но и инфицировали бактерии на протяжении большей части эволюционной истории вида. При этом вирусы должны находится внутри своих бактериальных хозяев. Группа Литгоу выяснила, что инфицированные бактерии обычно содержат около 30 копий вирусной ДНК. “Это довольно большая нагрузка”, - говорит Литгоу. Таким образом, он понял, что вирус должен давать своему хозяину какое-то конкурентное преимущество, которое компенсировало бы затраты на создание и поддержание такого количества копий вирусной ДНК.
Чтобы выяснить точную природу этого преимущества, Литгоу и сотрудники выделили белки из инфицированных бактерий и использовали масс-спектрометрию для идентификации белков, кодируемых вирусными генами. Один из вирусных белков оказался токсином, который вызывает образование пор в мембране бактерии, убивая клетку. В то же время другой вирусный белок подавлял действие токсина. Таким образом, теломерный фаг снабдил свою клетку-хозяина токсином для устранения конкурентов и противоядием, гарантирующим, что хозяин не убьет себя. Исследователи совместно культивировали инфицированные и неинфицированные бактерии K. pneumoniae и подтвердили, что инфицированные бактерии росли быстрее и занимали больше места и ресурсов, чем их неинфицированные сородичи. Таким образом, вирус обеспечивает свое существование, предоставляя бактериальному хозяину конкурентное преимущество перед другими штаммами.
Затем Литгоу стало интересно, получает ли каждый восприимчивый штамм K. pneumoniae доступ к одной и той же паре токсин-антитоксин после того, как он был инфицирован теломерным фагом. Ученые проанализировали ДНК фага, которую они идентифицировали в ранее опубликованных геномах K. pneumoniae. На самом деле не все вирусы содержали один и тот же порообразующий токсин и антитоксин, но большинство из них содержали бактерицидный токсин и соответствующий антидот. “Эта пара всегда находится в одном и том же положении в геноме”, - поясняет Литгоу. “Это наводит на мысль, что изначально эта [пара токсин-антитоксин] была свойственна теломерным фагам”. Со временем различные штаммы вируса интегрировали новые токсины и некоторые из этих изменений оказались полезными для фагов и их хозяев.
Роберто Бастиасу, микробиологу из Папского католического университета Вальпараисо (Чили), который не принимал участия в исследовании, идея о том, что вирус дает своему бактериальному хозяину оружие, показалась интересной. Он уже некоторое время изучает бактериофаги и хорошо знаком с концепцией умеренных фагов, которые помогают своим хозяевам, заражая и убивая конкурирующие штаммы. “Но для меня это исследование стало откровением”, - сказал он. “Что интересно в этом случае, так это то, что токсин способен убивать бактерии, которые не чувствительны к фагу”. Поскольку эти вирусы помогают своим потенциально патогенным хозяевам процветать, они не являются идеальными кандидатами для фаготерапии. Однако их генетический материал содержит "чертежи" новых антибиотиков, которые, как надеется Бастиас, будут разработаны в дальнейшем.
