Бактерии вершат фратрацид для присвоения
Некоторые открытия деятелей науки - вкупе с их описанием - наводят на давно уже озвученную и вовсе не оригинальную мысль про этакую нескончаемую войну буквально всех против всех, в коей стороны желают лишь одного - присвоения.
Не только государства норовят оттяпать друг у друга ресурсы, или бизнесмены - ради рынка сбыта - завалить конкурента, но и, как докладывают ученые, и бактерии. Эти также - почти совсем по человечьи - убивают своих сородичей ради присвоения.
Но им в отличие от людей нужно не злато, нефть и тому подобные ценные ресурсы - они убивают, дабы присвоить гены сородичей.
У них для убийства других микробов в распоряжении имеется не пистолет с глушителем или там ракета с ядерной боеголовкой, а «секреторная система типа VI» (T6SS). Это такой «молекулярный комплекс, составленный из белков вирусного происхождения, при помощи которого бактерии-убийцы протыкают оболочку соседних клеток и вводят в них токсичные вещества».
Причем - к примеру, «у холерных вибрионов убийство соседей при помощи T6SS напрямую связано с заимствованием генетической информации у погибших клеток»: потому что «гены вибриона, необходимые для «естественной трансформации» (поглощения чужой ДНК и встраивания ее в свой геном), включаются в ответ на те же сигналы, что и гены, отвечающие за формирование T6SS, а убийство соседних клеток резко повышает вероятность встраивания генов жертв в геном клетки-убийцы».
Деятели науки утверждают, что так называемый «горизонтальный перенос генов (ГПГ) играет огромную роль в эволюции одноклеточных организмов», и «одним из основных способов ГПГ у прокариот является естественная трансформация — активное поглощение ДНК из внешней среды с последующим встраиванием фрагментов чужого генетического материала в свой геном».
При этом «микробы не занимаются трансформацией постоянно», «чтобы приступить к трансформации, микроб должен перейти в так называемое «состояние компетентности»: у него должны включиться гены, необходимые для поглощения ДНК из окружающей среды, ее транспортировки через клеточные оболочки и т. д.».
Но тут также не все так просто: «эти гены обычно включаются в ответ на определенные стимулы, так или иначе связанные со стрессом или неблагоприятными условиями».
Ученые считают, что «это логично, поскольку в условиях, к которым организм приспособлен плохо, случайное изменение генома с большей вероятностью может оказаться полезным».
Поэтому - «чаще всего встраивание чужих генов происходит путем замены фрагмента собственной ДНК на похожий заимствованный фрагмент», «в результате один аллель данного гена может быть заменен на другой», «при этом чем выше сходство двух последовательностей, тем выше вероятность рекомбинации», «это одна из причин, объясняющих, почему ГПГ у прокариот чаще происходит между близкородственными видами и штаммами».
Деятели науки полагают, что «заимствование генов у неродственных организмов может иметь важные макроэволюционные последствия, но это куда более рискованное предприятие, чем близкородственный ГПГ, который у прокариот служит аналогом полового процесса и играет заметную роль в микроэволюции».
Исследователи приходят к выводу, что «некоторые бактерии» «могут специально убивать сородичей, чтобы поживиться их генами».
По научному такое специальное бактериальное убийство называется фратрицид (братоубийства), и выявлено оно, в частности, у бактерий Streptococcus pneumoniae: «компетентные» стрептококки выделяют токсины, убивающие соседние клетки, не успевшие перейти в состояние компетентности, а затем поглощают их ДНК».
Но «чужая ДНК может использоваться бактериями не только как источник нового генетического материала, но и просто в качестве пищи (эпизодическая рекомбинация в этом случае может быть побочным эффектом заглатывания чужой ДНК)», и
«тогда следует говорить не об «убийстве с сексуальными целями», а об обычном каннибализме, как у Bacillus subtilis».
Однако «в случае со стрептококками» вряд ли это так, поскольку «они переходят в состояние компетентности и начинают выделять «братоубийственные» токсины не при голодании, а как раз наоборот — при быстром росте популяции в условиях пищевого изобилия».
Впрочем, имеется и другой «пример убийства бактериями своих сородичей с последующим присвоением наследственного материала жертв», причем - более изощренный, чем у стрептококков, и освоил его «холерный вибрион Vibrio cholerae».
О таких вот происходящих в среде бактерий изощренных убийствах повествуют в своем пересказе публикации в Science «Элементы».
«Ранее было показано, что разные штаммы холерных вибрионов активно «воюют» друг с другом при помощи T6SS. Впрочем, до настоящего братоубийства, как у стрептококков, дело не доходит. Каждый штамм вибрионов обладает иммунитетом (белковым противоядием) к токсичному «эффектору», производимому им самим. Поэтому вибрионы каждого штамма убивают только чужаков с отличающимися парами «яд–противоядие», а для ближайшей родни их токсины безвредны.
Авторы обсуждаемой статьи изучали систему регуляции генов компетентности у одного из опаснейших штаммов холерного вибриона El Tor, который вызвал пандемию холеры в 1960-х. Они выяснили, что несколько генов, необходимых для поглощения чужой ДНК, включаются в ответ на комбинацию двух стимулов. Первый стимул — хитин, в присутствии которого вибрионы начинают производить регуляторный белок TfoX (transformation protein X). Дело в том, что холерные вибрионы обитают в водоемах, где они размножаются на поверхности тел мелких планктонных членистоногих или на их хитиновых шкурках, сброшенных при линьке. На поверхности хитина холерные вибрионы образуют плотные скопления — биоплёнки.
Белок TfoX, сигналом к производству которого служит присутствие хитина или продуктов его разложения, необходим, но не достаточен для перехода вибрионов в состояние компетентности. Вторым сигналом является высокая плотность популяции вибрионов, которую микробы оценивают по концентрации выделяемых ими веществ (аутоиндукторов) при помощи системы quorum sensing («чувства кворума»).
Авторы решили выяснить, какие еще гены входят в «регулон компетентности», то есть включаются под действием белка TfoX при высокой плотности популяции и исправной системе quorum sensing. Для этого они сравнили транскриптомы вибрионов, выращенных при высокой плотности, с включенным и выключенным геном tfoX (так называется ген, кодирующий белок TfoX).
Оказалось, что вместе с генами, необходимыми для поглощения чужой ДНК, у вибрионов включаются также и гены белков секреторной системы типа VI. Система регуляции у тех и других оказалась общей: в обоих случаях ключевую роль играет TfoX (синтез которого индуцируется хитином) и белки, участвующие в quorum sensing. Отключение любого из этих компонентов лишает вибрионы одновременно и способности переходить в состояние компетентности, и возможности производить молекулярные «шприцы» T6SS.
Единая регуляция молекулярных устройств, служащих для убийства других бактерий и для захвата чужой ДНК, указывает на возможное единство их функций. Иными словами, можно предположить, что вибрионы сначала убивают соседей, относящихся к другим штаммам, а затем поглощают их ДНК. Для проверки этой гипотезы авторы провели ряд экспериментов. Для начала они убедились, что включение генов T6SS (в присутствии хитина или в результате искусственной стимуляции у вибрионов, у которых ген tfoX был соединен с промотором, индуцируемым арабинозой) действительно способствует гибели других бактерий, контактирующих с вибрионами-«хищниками». Сначала в качестве «жертв» использовали кишечных палочек Escherichia coli, которых растили в смешанной культуре с вибрионами. В последующих экспериментах в роли жертв выступали холерные вибрионы другого штамма, у которых их собственная T6SS была отключена (чтобы жертвы не могли убивать хищников). Всё подтвердилось: жертвы погибали, когда у хищников включался ген tfoX, но оставались живы, если либо tfoX, либо система quorum sensing у хищников не работала.
Теперь нужно было проверить, действительно ли вибрионы присваивают гены убитых бактерий. Для этого в геномы хищников и жертв добавили гены устойчивости к двум антибиотикам — рифампицину и канамицину. Оказалось, что при включенном tfoX среди хищников систематически появляются особи, устойчивые к обоим антибиотикам одновременно. Это доказывает, что ГПГ от жертв к хищникам действительно имеет место. При выключенном tfoX или неисправной системе quorum sensing клетки с двойной устойчивостью почти никогда не появляются. Этот значит, что хищные вибрионы действительно поглощают ДНК убитых ими жертв и встраивают заимствованные гены в свой геном, причем убийство соседей резко повышает частоту ГПГ.
Авторам удалось получить наглядную визуализацию процесса «охоты», гибели клеток-жертв и поглощения хищниками чужой ДНК. Для этого они изготовили генно-модифицированных хищников и жертв. Клетки-жертвы были помечены зеленым флуоресцирующим белком (GFP), а у клеток-хищников зеленым был помечен белок VipA (один из компонентов T6SS), а красным — белок ComEA (один из белков системы компетентности, который плавает в периплазматическом пространстве и связывается с попадающей туда чужой ДНК). В результате удалось получить серии фотографий, подробно рассказывающие о судьбе вибрионов-хищников и их жертв в смешанной культуре (рис. 3). Фотографии не оставляют сомнений в том, что хищники действительно убивают других вибрионов при помощи T6SS, а затем поглощают их ДНК.
Пока нет оснований утверждать, что сопряженная регуляция T6SS и компетентности у холерных вибрионов возникла именно как адаптация для приобретения чужого генетического материала, а не просто для эффективной утилизации устраняемых конкурентов (с чисто гастрономическими целями), причем присвоение чужих генов в этом случае следует рассматривать как побочный эффект. Поэтому слово «чтобы» в названии новости не нужно воспринимать слишком буквально. Так или иначе, после убийства жертв часть их генетического материала действительно переносится в геном убийц, что может иметь важные эволюционные и медицинские последствия. Ведь холерные вибрионы благодаря ГПГ могут быстро приспосабливаться к меняющимся условиям, в том числе и к новым антибиотикам, передавая гены устойчивости от одного штамма к другому. Кроме того, способность убивать других бактерий, возможно, помогает вибрионам расправляться с конкурентами в пищеварительном тракте человека, уничтожая нашу симбиотическую микрофлору, что может способствовать более тяжелому протеканию инфекции,- говорится в материале на сайте «Элементов».
Такую вот буквально убийственную картину посередь бактерий воспроизводит пересказ.
А вот места про бактериальное созидание, бескорыстие и дружбу в ней что-то не нашлось.
Но, быть может, про это все расскажут новые, совсем иные пересказы.