Бактерии «приручают» вирусы и используют их как оружие в борьбе с другими бактериями
Исследование, проведенное Университетом Юты и Университетским колледжем Лондона (UCL), показало, что бактерии растений способны перенаправить действие вирусов-бактериофагов для уничтожения конкурирующих микробов. Этот неожиданный результат может стать мощной альтернативой антибиотикам.
В ходе предыдущего исследования лаборатория Университета Юты изучила, как бактериальный патоген Pseudomonas viridiflava проявляется в сельскохозяйственных и диких условиях. Ученые обнаружили, что на возделываемых землях один из вариантов патогена широко распространился и стал доминирующим микробом. Но в диких условиях все оказалось не так. И ученые из лаборатории Талии Карасовой решили выяснить, почему так происходит..
«Мы увидели, что ни одна линия бактерий в диких условиях не становится доминирующей и задавались вопросом, могут ли вирусы-фаги, атаковать бактерии и предотвратить распространение отдельных линий. С этого мы начали. Но все оказалось еще интереснее», — говорит Карасова.
Согласно новому исследованию, бактерии запускают собственные фаги, названные учеными тайлоцинами, которые проникают через внешние мембраны бактерий-конкурентов и убивают их.
Гонка вооружений в микромире
Лаборатория Карасовой и лаборатория Эрнана Бурбано из Университетского колледжа Лондона проанализировали геномы современных и исторических бактерий-патогенов, чтобы определить, как бактерии эволюционируют, сражаясь друг с другом.
«В этой гонке вооружений между бактериями, они пытаются убить друг друга и со временем вырабатывают устойчивость к атакам», — говорит Бурбано. — «Образцы гербария за последние 200 лет, которые мы проанализировали, дали представление об этой гонке вооружений».
Бурбано и коллеги из его лаборатории секвенировали и геномы растений-хозяев, и геномы микробов, связанных с растением, на момент сбора сотни лет назад. Это позволило увидеть войну микромира развернутую по времени.
Бурбано проанализировал исторические образцы Arabidopsis thaliana (Резуховидка Таля), собранные на юго-западе Германии. Ученые сравнили растения из гербария с растениями, растущими сегодня в той же части Германии.
«Мы обнаружили, что все исторические тайлоцины присутствовали и в современном наборе данных. Это позволяет предположить, что эволюция поддерживала разнообразие вариантов тайлоцинов на протяжении столетия. Это, вероятно, указывает на ограниченный набор возможных механизмов устойчивости и чувствительности в изученной бактериальной популяции», — говорит Бурдано.
Ученые обращают внимание на то, что новых тайлоцинов за 200 лет у бактерий-патогенов не появилось. То есть, мы имеем дело с равновесной ситуацией, причем бактерии используют тайлоцины для точных атак, а не «стрельбы по площадям» и умеют защищаться от чужих тайлоцинов.
Тайлоцины не могут размножаться сами. Это именно оружие бактерий, а не самостоятельные организмы. Убивая бактерию они погибают.
Если какой-то вид бактерий исключить из микробного сообщества, это равновесие может быть нарушено, и определенный вид бактерий может получить преимущество и станет доминирующим. Возможно, именно это случилось с патогеном Pseudomonas viridiflava: на возделываемых землях у него не оказалась сильного конкурента, которого эволюция научила бороться с Pseudomonas viridiflava с помощью тайлоцинов.
Новые антибиотики
Ученые задаются вопросом: могут ли тайлоцины помочь в борьбе с патогенами, устойчивыми к антибиотикам.
Ведущий автор работы Талия Бэкман говорит: «Мы остро нуждаемся в новых антибиотиках, а тайлоцины имеют потенциал в качестве новых противомикробных препаратов. — "Тот факт, что все эти дикие растительные патогены имеют тайлоцины, и используют эти тайлоцины для уничтожения бактерий-конкурентов показывает, насколько значимыми они могут быть в природе".
Большинство пестицидов и антибиотиков были разработаны десятилетия назад для уничтожения широкого спектра бактерий. Но антибиотики уничтожают не только вредные бактерии, но и полезные. Тайлоцины обладают гораздо более высокой точностью, чем большинство современных антибиотиков, эти прирученные бактериями фаги убивают только несколько избранных штаммов бактерий.
Остается отметить, что имя руководителя лаборатории и имя ведущего автора работы — Талия, а модельное растение, на котором исследовались тайлоцины, называется Резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana). Это, конечно, не более, чем совпадение, но в науке иногда совпадения, кажется, не имеющие никакого отношения к объекту исследования, приводят к открытиям.