Как бактерии ловят ДНК своих врагов
Исследователи из отделения химической инженерии Техасского университета A&M обнаружили, каким образом некоторые типы бактерий ловят ДНК своих врагов и включают её в свой собственный генетический состав, что увеличивает их шансы на выживание.
Точнее говоря, генетический материал на самом деле не ловится, а утилизируется после внедрения в бактерию проникающего вируса. Профессор Томас Вуд (Thomas K. Wood) и его коллеги Ксяоксю Ванг (Xiaoxue Wang) и Йонгхун Ким (Younghoon Kim) опубликовали своё открытие в Nature's 2009 International Society for Microbial Ecology Journal.
Открытие Вуда проливает свет на битву, продолжавшуюся миллионы лет, между бактериями и вирусами, поедающими бактерий, иначе известными как «фаги». Запертые в условиях непрерывной борьбы, эти две жизненные формы вынуждены постоянно изобретать новые пути к победе. Подход, предпринимаемый фагом таков: с использованием хвостового аппарата, напоминающего шприц, фаг впрыскивает свой генетический материал в бактериальную клетку. Оказавшись внутри, фаг размножается и, в конечном итоге, выходит из клетки, чтобы найти и инфицировать другую.
Однако планы фагов могут и нарушиться.
Исследуя бактерию E.coli, Вуд обнаружил, что эти бактерии придумали средства, препятствующие размножению фагов. Когда фаг «захватывается», бактерия включает ДНК фага в свои хромосомы. Эти новые различные смеси генетического материала, по словам Вуда, позволяют бактериям не только победить фагов, но и успешно процветать, по сравнению со сходными бактериями, не включающими ДНК фага.
«Бактерия жива и вполне процветает, благодаря тому, что ловит своих врагов», говорит Вуд. «Наше исследование показало, что если бы бактерии не имели определённый набор из 25 генов, ранее принадлежавших фагам, то они не были бы способны так быстро расти. Если удалить следы фагов, то рост бактерии станет в 5 раз меньшим на том же субстрате».
Это явное преимущество бактерий помогает учёным понять, почему те несут около 10-20% несобственных генов. Только предположите, содержание ДНК вирусов позволяет бактериям увеличивать свои шансы на выживание путём производства многообразного потомства, что, по словам Вуда, является очень важным, когда, например, бактерии решают переместиться в новую среду обитания в процессе, называемом дисперсией.
Дисперсия происходит, когда бактерии перестают получать питательные вещества из окружения или, когда, например, температурные условия становятся невыносимыми. Вуд обнаружил, что с помощью точных методов регуляции, бактерии способны удерживать или, наоборот, изгонять из себя ДНК вирусов. Это интересный процесс обмена, так как сохраняемая ДНК вирусов способствует ускорению роста бактерий, но в то же время уменьшает их подвижность, которая необходима при поиске нового места обитания.
Дальнейшее изучение такой динамики позволило Вуду и его исследовательской группе связать этот регуляционный процесс с формированием бактериальных сообществ, называемых биоплёнками.
Биоплёнка – это защитная, вязкая слизь, создаваемая бактериями, объединившимися вместе в сообщество и пожинающими плоды «массовых усилий» такого подхода. Биоплёнки могут расти на различных живых и неживых поверхностях, включая подводные камни, еду, зубы и биомедицинские имплантаты, заменяющие колено или бедро.
Биоплёнки, по оценке Национального института здоровья, вызывают около 90% человеческих инфекций, а по оценке Центра контроля заболеваний биоплёнки представлены в 65% случаев инфекций, требующих госпитализации. Именно биоплёнки обычно являются причиной фатальных инфекций, развивающихся после хирургических операций. Еще чаще они становятся источниками постоянных ушных инфекций у детей.
Исследование Вуда показало, что образование биоплёнок основано на вирусных генах, представленных в бактериях, кроме того, он еще и обнаружил механизм этого процесса. У бактерий есть белок, называемый Hha, который способен контролировать сохранение вирусных генов в бактерии или их отвержение. Когда Hha «включен», бактерия изгоняет вирусные гены, выбирая подвижность, вместо способности образовывать плёнки. Аналогично, когда Hha не экспрессирован, бактерии движутся медленно, зато образовывают биоплёнки с гораздо большей скоростью.
Это открытие имеет приложения, как в области здравоохранения, так и в области производства альтернативного вида топлива.
«Если мы можем понять, как формируются биоплёнки, то сможем и начать управлять ими», говорит Вуд. «Мы нашли регулятор – Hha, контролирующий гены, ответственные за формирование биоплёнок. Теперь мы можем начать продумывать варианты «включения» гена Hha в случае, если мы хотим избавиться от биоплёнок. Над этим мы сейчас и работаем. Уметь создавать биоплёнки там, где мы их хотим - это очень долгосрочная цель для инженеров».
