GB&E: Хищничество протистов усилило вирулентность Serratia marcescens

Оппортунистические патогены — это микробы, которые обычно безвредны, но могут вызывать инфекции у людей со слабым иммунитетом или в стерильных частях тела.

В отличие от облигатных патогенов, условно-патогенные микроорганизмы не нуждаются в инфицировании хозяина для выживания. Поэтому сложно определить, что влияет на их способность вызывать болезни. Но так как эти микробы могут серьёзно навредить людям с ослабленным иммунитетом, а многие из них устойчивы к лекарствам, важно понять, какие факторы определяют их вирулентность.

Учёные из Государственного университета Северной Каролины выяснили, что хищные протисты Tetrahymena thermophila делают условно-патогенные бактерии Serratia marcescens более опасными. Это подтверждает, что взаимодействие микробов влияет на их способность вызывать болезни.

Научное исследование проводила группа учёных: Хизер Хопкинс, Кристиан Лопесгерра, Менг-Джиа Лау и Каси Райманн. Они изучали бактерию S. marcescens, которая часто встречается в быту и может вызывать инфекции у людей и животных.

Бактерия производит красный пигмент, который можно увидеть на розовой плёнке в ванной комнате или на статуях с «кровавыми» пятнами. У людей S. marcescens обычно обитает в желудочно-кишечном тракте и считается безвредной, но также может вызывать опасные инфекции дыхательных и мочевыводящих путей.

Райманн отмечает, что S. marcescens — идеальная модель для изучения адаптации бактерий и эволюции вирулентности, поскольку эта бактерия может обитать в разных хозяевах и средах.

Автор начал работать с S. marcescens как постдок, потому что это условно-патогенный микроорганизм, который поражает медоносных пчёл. Но его быстро заинтересовала способность бактерии приспосабливаться к самым разным условиям и процветать везде, даже в ванной комнате.

Исследователи 60 дней развивали штамм S. marcescens KZ19, который вызывает инфекции у пчёл. Часть линий выращивали с протистом T. thermophila, часть — без него. Затем учёные секвенировали линии и изоляты из каждой линии, чтобы изучить изменения в генотипе и фенотипе популяций.

Удивительно, но в нескольких эволюционировавших линиях мутации часто происходили на одном и том же участке или в одном и том же гене. Эти мутации происходили чаще, чем можно было бы ожидать по случайности. Это указывает на то, что во всех эволюционировавших популяциях происходил положительный отбор для адаптации к условиям окружающей среды.

Хопкинс отмечает, что возможность увидеть одинаковые мутации в разных репликах за такой короткий промежуток времени очень велика. По его словам, это отражает непрерывное действие эволюции, хотя мы не всегда замечаем её результаты в повседневной жизни.

В одной сети взаимодействия происходили параллельные мутации, которые затрагивали белки регуляторных систем BarA-UvrY и Rcs.

BarA-UvrY регулирует производство токсинов, определение кворума, подвижность и некоторые метаболические функции. Rcs отвечает за подвижность, биосинтез капсул, формирование биоплёнки и вирулентность.

Авторы исследования считают, что мутации в этих генах могут серьёзно влиять на экспрессию других генов.

В популяциях S. marcescens, которые подверглись атаке протистового хищника T. thermophila, было несколько мутаций в генах, связанных с образованием биоплёнок. Хотя биоплёнки защищают бактерии от хищников, они также связаны с вирулентностью и устойчивостью к антимикробным препаратам.

Исследователи оценили влияние мутаций на бактерии S. marcescens, изучив их рост, способность образовывать биоплёнки, устойчивость к хищникам и вирулентность.

Оказалось, что популяции бактерий, которые подверглись воздействию хищника T. thermophila, были более устойчивы к нему и образовывали больше биоплёнок. Также они были более вирулентны, что приводило к увеличению смертности медоносных пчёл при скармливании им этих бактерий.

Кроме того, была выявлена корреляция между устойчивостью к хищнику и вирулентностью бактерий. Это позволяет предположить, что хищники могут косвенно влиять на вирулентность условно-патогенных микроорганизмов.

Исследование показывает, что существует сложная взаимосвязь между взаимодействием «хищник — жертва» и эволюцией вирулентности условно-патогенных микроорганизмов. Однако это лишь часть большой работы по изучению влияния различных факторов окружающей среды на эволюцию условно-патогенных микробов.
Дальнейшие исследования с более длительными экспериментами и разными видами бактерий помогут лучше понять, какие силы определяют эволюцию и вирулентность этих микроорганизмов.

Проводить такие эксперименты сложно. Рейманн и Хопкинс считают, что трудно связать конкретные мутации с их функциями и учесть влияние окружающей среды. Но эти исследования необходимы, чтобы лучше понять условно-патогенные микроорганизмы и разработать более эффективные методы лечения бактериальных инфекций.

Результаты опубликованы в издании Genome Biology and Evolution.

20.08.2024