Задолго до того, как люди заинтересовались уничтожением бактерий, этим занялись вирусы. Вирусы, атакующие бактерии, называемые «фагами» (сокращение от бактериофага), были впервые идентифицированы по их способности создавать голые участки на поверхности культуральных пластин, которые в их отсутствие покрывались «газоном» бактерий. После того как фаги сыграли важнейшую роль в раннем развитии молекулярной биологии, их стали использовать в качестве потенциальных методов лечения, когда устойчивость к антибиотикам ограничивает эффективность традиционных лекарств.
Однако в плане превращения фагов в инструменты борьбы с бактериями мы опаздываем. Исследователи описали ряд случаев, когда бактерии сохраняли в своих геномах части вирусов-фагов и превращали их в оружие, которое можно использовать для уничтожения других бактерий, которые в противном случае могли бы конкурировать за ресурсы. В новом исследовании демонстрируется, что этот процесс помогал поддерживать разнообразие бактериальных популяций на протяжении веков.
Эволюция убийцы
Новая работа началась, когда исследователи изучали популяцию бактерий, связанных с растением, произрастающим в дикой природе в Германии. В популяцию входили различные представители рода Pseudomonas, которые могут быть патогенами растений. Обычно, когда бактерии заражают новую жертву, один штамм резко распространяется, поскольку успешно эксплуатирует своего хозяина. Однако в данном случае популяция Pseudomonas содержала множество различных штаммов, которые, как оказалось, поддерживали стабильную конкуренцию.
Чтобы узнать больше, исследователи получили более 1500 отдельных геномов из бактериальной популяции. Более 99 процентов этих геномов содержали фрагменты вируса, причём средний штамм бактерий имел два отдельных фрагмента вируса, скрывавшихся в его геноме. У всех них были недостающие части по сравнению с функциональным вирусом, что говорит о том, что они были результатом работы вируса, который встраивался в них прошлом, но затем получил повреждения, которые вывели его из строя.
Само по себе это не шокирует. Во многих геномах (в том числе и в нашем собственном) есть множество частей неработающих вирусов. Но бактерии, как правило, довольно быстро удаляют лишнюю ДНК из своих геномов. В данном случае одна конкретная вирусная последовательность, по-видимому, восходит к общему предку многих штаммов, поскольку все они имели вирус, вставленный в одно и то же место генома, и все экземпляры этого конкретного вируса были отключены путём потери одного и того же набора генов. Исследователи назвали эту последовательность VC2.
Многие фаги имеют стереотипную структуру: большая «голова», содержащая генетический материал, расположена на стебле, который заканчивается набором «ног», помогающих зацепиться за бактериальную жертву. Как только ножки вступают в контакт, они сжимаются, что помогает перенести геном вируса в бактериальную клетку. В случае с VC2 у всех его копий отсутствовали гены для производства головной части, а также все гены, необходимые для обработки его генома во время инфекции.
Это позволило исследователям заподозрить, что VC2 является так называемым «тейлоцином». Это бывшие фаги, которые были одомашнены бактериями с тем, чтобы использовать их для нанесения вреда своим потенциальным конкурентам. Бактерии с тейлоцином могут производить части фагов, только ножки и стебель. Такие фаги могут находить другие бактерии и цепляться за них, но когда стебель сжимается, генома для инъекции не остаётся. Вместо этого они просто открывают дыру в мембране своей жертвы, частично повреждая границу клетки и позволяя части её содержимого вытечь наружу, что приводит к её гибели.
Эволюционная свобода действий
Чтобы подтвердить, что последовательность VC2 кодирует тейлоцин, исследователи вырастили несколько бактерий, содержащих эту последовательность, очистили из них белки и с помощью электронной микроскопии подтвердили, что они содержат безголовые фаги. Подвергнув воздействию тейлоцина другие бактерии, они обнаружили, что, хотя штамм, продуцирующий тейлоцин, был невосприимчив к нему, многие другие штаммы, растущие в той же среде, погибали от него. Когда команда удалила гены, кодирующие ключевые части тейлоцина, гибель прекратилась.
Исследователи предполагают, что эта система используется для уничтожения потенциальных конкурентов, но многие штаммы выработали устойчивость к тейлоцину.
Когда исследователи провели генетический скрининг, чтобы выявить устойчивые мутанты, они обнаружили, что устойчивость обеспечивается мутациями, которые мешают производству сложных молекул сахара, которые находятся на белках, заканчивающих своё существование на внешней стороне клеток. В то же время большинство генетических различий между генами VC2 приходится на белки, кодирующие ножки, которые прикрепляются к этим сахарам.
Таким образом, получается, что каждый бактериальный штамм является одновременно и агрессором, и жертвой, и существует эволюционная гонка вооружений, которая приводит к сложным парным взаимодействиям между штаммами — представьте себе игру «камень-ножницы-бумага» с десятками вариантов. И у этой гонки вооружений есть своя история. Используя старые образцы, исследователи показали, что многие из вариаций этих генов существуют уже не менее 200 лет.
Эволюционные соревнования часто рассматриваются как простая борьба один против одного, вероятно, потому, что так легче думать о них. Но на самом деле большинство из них больше похожи на хаотичную драку в баре, где редко какая фракция получает постоянное преимущество.
