Биология

Вглядываясь в прошлое, ученые обнаруживают трансформированные бактерии и вирусную угрозу выживанию

На этом изображении красный участок показывает литический цикл, процесс, посредством которого вирусы убивают бактериальные клетки, чтобы произвести новые вирусные частицы с помощью фермента, представленного как «Pac-Man» с острыми как бритва зубами. У Caulobacterales «зубы» фермента теперь тупые, что помогает бактериям выращивать новые стебли в процессе, показанном синим цветом. Предоставлено: Амелия Рандич, Университет Индианы.

Исследователи из Университета Индианы сообщают о ранее неизвестном способе, которым бактерии могут разрабатывать новые гены, чтобы эволюционировать и адаптироваться к угрозам, — понимание, которое могло бы продвинуть усилия против "супербактерии".

Исследование, опубликованное сегодня в журнале Current Biology, описывает первые известные доказательства того, что бактерии крадут генетический материал у своего злейшего врага, называемого "Бактериофаги", и преобразуют его, чтобы выжить. Бактериофаги - это бактериальные вирусы, настолько смертоносные, что, по оценкам, они убивают около половины бактерий в Мировом океане каждые два дня.

"Подобно тому, как мы ведем эту постоянную войну против бактерий, бактерии ведут постоянную войну против бактериофагов или "фагов", — говорит ведущий автор исследования Амелия Рэндич, докторская исследовательская работа в Колледже искусств и наук Блумингтонского университета IU. Биологический факультет "Наша работа показала, что ген, когда-то использовавшийся фагами в качестве оружия против бактерий, теперь используется бактериями для правильного роста и деления".

Ген SpmX, широко известный как «Спам X». Знания об этом гене были впервые получены учеными из лаборатории Ив Брун, заслуженного профессора биологии IU, который является старшим автором исследования. Рэндич является членом лаборатории Бруна в IU.

"Это исследование показывает способность бактерий превращать орудие войны в инструмент для создания жизни", — добавил Рэндич. "Это похоже на то, как эволюция превращает меч в орала".

Работа продвигает знания о том, как бактерии создают новые гены из внешнего генетического материала. В этом случае трансформация, которая, вероятно, произошла миллиард лет назад, может помочь людям сегодня получить больший контроль над бактериями.

Этот контроль может привести к появлению новых антибиотиков или других достижений в использовании бактерий. Например, производители лекарств обычно используют бактерии для производства биологических соединений, таких как инсулин. Также проводятся исследования по использованию бактерий для переработки пластмасс или проведения электричества.

Как и человеческие вирусы, бактериофаги вводят свой собственный генетический материал в клетки, угоняя молекулярные механизмы своих жертв, чтобы копировать их собственные гены, производя новые вирусные частицы, которые открываются и убивают клетки. Этот процесс называется лизисом, а токсичные ферменты, которые вызывают гибель клеток, называются лизинами.

Амелия Рандич. Предоставлено: Джеймс Брошер, Университет Индианы

SpmX обнаружен в Caulobacterales, бактериальном отряде, члены которого выращивают длинные отростки, называемые стеблями. Он появляется в том месте в клетке бактерии, где будет расти стебель, и «рекрутирует» белки, которые играют роль в выращивании стебля.

Основываясь на своих анализах, которые включали в себя использование биоинформатики для сравнения бактериальных и фаговых генов и использование рентгеновской кристаллографии для создания трехмерных моделей SpmX и родственных белковых структур в фагах, исследователи IU выявили сходство между SpmX и лизин-продуцирующими белковыми последовательностями в бактериофаге. В частности, анализ показал, что часть гена, используемого SpmX для поиска подходящего места для выращивания стеблей в Caulobacterales, связана с токсичными лизинами, используемыми фагами для разрушения клеток.

Более того, команда обнаружила, что ген изменился, но незначительно. Аминокислоты, расположенные в специфической области фермента, который используют фаги для разрушения клеточных стенок, утратили способность расщеплять открытые клетки в Caulobacter. Вместо этого они появились, чтобы помочь SpmX определить будущую позицию стебля.

Амелия Рандич и Ив Брун, работают с микроскопом в лаборатории Бруна.

"Несмотря на то, что он был очень, очень похож на гены фагов, мы обнаружили специфическую мутацию в Caulobacter - в области белка, используемого для прорезания бактериальной клеточной стенки, — которая снизила его эффективность", — сказал Брун.

"Поскольку последовательность была так тесно связана с генами в фаге, можно ожидать, что она будет выполнять ту же функцию: разрезать клеточную стенку", — добавил он. "Но вместо этого его активность была снижена до такой степени, что он больше не убивал бактерии. Это довольно примечательно".

Читайте Новая Наука в
Back to top button