Бактерии могут эволюционировать гораздо быстрее, чем считалось ранее

В исследовании, опубликованном сегодня в Cell, одном из наиболее авторитетных рецензируемых научных журналов в области биохимии и молекулярной биологии, ученые из Национального университета Сингапура — NUS, и Имперского колледжа Лондона обнаружили у бактерий новый способ передачи генов, позволяющий им эволюционировать гораздо быстрее.

Результаты исследования, проведенного под руководством доцента Джона Чена (John Chen) с кафедры микробиологии и иммунологии и Программы трансляционных исследований инфекционных заболеваний Медицинской школы NUS Yong Loo Lin (NUS Medicine), могут помочь ученым лучше понять, как патогенные бактерии эволюционируют и становятся все более вирулентными и устойчивыми к антибиотикам.

Способность обмениваться генетическим материалом является основной движущей силой эволюции микроорганизмов, поскольку она может в одно мгновение превратить доброкачественную бактерию в смертельно опасный патоген. Фаги, вирусы бактерий, могут выступать в роли проводников, позволяющих передавать гены от одной бактерии к другой в процессе, известном как генетическая трансдукция. В настоящее время известны три механизма трансдукции: генерализованный, специализированный и латеральный. Латеральная трансдукция была открыта теми же группами исследователей в 2018 году, и она как минимум в тысячу раз эффективнее, чем следующий по мощности механизм — генерализованная трансдукция.

Новый процесс получил название латеральной котрансдукции, а архитектором этой новой частоты и скорости в эволюции бактерий стали острова патогенности золотистого стафилококка (SaPIs) — эгоистичные элементы ДНК, которые используют и паразитируют фаги и часто встречаются интегрированными в хромосомы изолятов S. aureus. S. aureus — это вид бактерий, способных вызывать стафилококковые инфекции у людей и животных. Хотя в основном они проявляются в виде кожных инфекций, при распространении в кровоток и поражении органов, костей и суставов они могут стать опасными для жизни.

Профессор Хосе Р. Пенадес из отделения инфекционных болезней и директор Центра биологии бактериальной резистентности Имперского колледжа Лондона отметил:

Это открытие проливает свет на новый путь эволюции бактерий. Учитывая тревожный всплеск распространения антибиотикорезистентных бактерий, понимание механизмов эволюции бактерий становится все более важным.

Этот недавно открытый процесс — латеральная котрансдукция — по эффективности конкурирует с латеральной трансдукцией, но превосходит ее по универсальности и сложности. В то время как латеральная трансдукция, как известно, происходит только тогда, когда спящие фаги внутри бактериальных геномов реактивируются и начинают размножаться в литическом цикле, латеральная котрансдукция может происходить как в процессе реактивации, так и при инфицировании новых бактериальных клеток.

Кроме того, в отличие от фагов, которые жертвуют своими генами для передачи ДНК бактериального хозяина, SaPI могут переносить себя в полной сохранности вместе с бактериальной ДНК посредством латеральной котрансдукции. Эта замечательная способность позволяет им постоянно повторять этот процесс, что делает их значительно более мощными и эффективными в передаче бактериальных генов.

В ходе исследования ученые продемонстрировали, что бактерии могут эволюционировать гораздо быстрее, чем мы предполагали. Хотя генетическая трансдукция всегда была исключительной прерогативой фагов, наше исследование показало, что паразиты самых плодовитых паразитов на планете (фаги), вероятно, являются самыми мощными и эффективными трансдуцирующими агентами из всех известных на сегодняшний день.

Профессор Ченг Ви Джу (Chang Wee Joo), заместитель декана по научной работе NUS Medicine, сказал:

Это революционное открытие повлияет на наше понимание эволюции бактерий путем переноса генов и их потенциальных последствий для бактериальных инфекций и заболеваний. Это исследование также имеет первостепенное значение для обоснования безопасных решений по лечению в клинических условиях, и для нас большая честь, что наша работа опубликована в этом престижном журнале.

Рост числа супербактерий требует поиска новых способов лечения антибиотикорезистентных штаммов. Одним из таких методов, получивших широкое распространение в последние годы, является фаговая терапия, которая предполагает использование фагов для уничтожения вредоносных бактерий при инфекциях и заболеваниях. Однако вместо того, чтобы просто бороться с бактериями, некоторые терапевтические фаги могут оказаться невольными соучастниками SaPI или других родственных элементов, способных к латеральной котрансдукции.

По словам профессора Пенадеса, «этот процесс, вероятно, происходит и у других видов бактерий». Это новаторское открытие знаменует собой сдвиг парадигмы в нашем понимании эволюции бактерий и окажет огромное влияние на способы борьбы с антибиотикорезистентностью.

Их могут использовать для уничтожения бактерий в краткосрочной перспективе, но в долгосрочной перспективе они могут распространять вредные гены в другие клетки, что может привести к катастрофическим последствиям. С учетом нового способа понимания эволюционных механизмов развития болезнетворных организмов важно, чтобы терапевтические фаги проходили тщательную проверку, прежде чем их начнут использовать для лечения, — заключает доцент Чен.

04.08.2023