Конкуренция бактерий при дефиците пищи маскирует частоту мутаций
Исследование ученых из Университета Сан-Паулу (Бразилия) показало, что в условиях дефицита пищи конкуренция за питательные вещества и отсутствие кооперации среди бактерий Escherichia coli в одной популяции препятствуют процветанию мутантов, лучше приспособленных к среде. Исключение составляют лишь те мутанты, которые организуются в небольшие группы. Это явление маскирует появление новых бактериальных вариантов, занижая наблюдаемую частоту мутаций.
Мутанты постоянно возникают и накапливаются от поколения к поколению. Частота мутаций определяет эволюцию вида. Понимание их происхождения важно для объяснения биологических процессов, например, эволюционного расхождения патогена во время эпидемии или развития устойчивости к антибиотикам.
В статье, опубликованной в журнале BMC Biology, исследователи сравнивают происходящее в колониях E. coli с «трагедией общин» — ситуацией, когда преследование личной выгоды в ущерб сообществу ведет к истощению общих ресурсов.
«В условиях пищевого дефицита бактерии не взаимодействуют для взаимной выгоды и роста колонии. Мы обнаружили, что даже появление нескольких особей, способных использовать доступные источники пищи, не предотвращает гибель всей популяции из-за отсутствия кооперации. Лишь небольшое число мутантов способно размножаться и образовывать новые колонии», — пояснил профессор Бени Спира, последний автор статьи.
Это объясняет давний вопрос: почему на практике частота мутантов, способных расщеплять определенные питательные вещества, всегда намного ниже, чем в теории.
Как работает «трагедия общин» у бактерий
В отличие от дикого типа, бактерии с PHO-конститутивными мутациями сверхэкспрессируют фермент щелочную фосфатазу. Это позволяет им расщеплять глицерол-2-фосфат (G2P) с высвобождением фосфата и глицерола — важного источника углерода, особенно при нехватке питания.
Однако фактическая частота появления колоний PHO-конститутивных мутантов на селективных средах с G2P исключительно низка.
«Когда мы измеряем реальную частоту мутантов, то в популяции из 100 миллиардов бактерий находим десятки тысяч PHO-конститутивных мутантов. Но размножиться и дать новые колонии способны лишь 50–100 из них», — отметил Спира.
Мутант экспрессирует большое количество щелочной фосфатазы, которая локализована в периплазме клетки. Когда G2P расщепляется и производится глицерол, питательное вещество может запасаться бактерией или высвобождаться в окружающую среду, где его немедленно поглощают многочисленные бактерии дикого типа.
Однако глицерола, выделяемого мутантами, недостаточно для роста колоний дикого типа. Вокруг каждого мутанта находится около 20 000 бактерий.
«Немногие мутанты, которым удается размножиться, — это те, что кооперируются друг с другом, образуя кластеры и обмениваясь глицеролом. В противном случае питательное вещество становится дефицитным, мутанты ингибируются, и популяция вымирает», — сказал Спира.
Бактерии дикого типа и мутанты конкурируют за недостаточный глицерол.
«Мутанты не размножаются из-за нехватки этого питательного вещества, создавая впечатление, что мутаций нет, и резко снижая наблюдаемую частоту PHO-конститутивных мутантов в популяции», — пояснил он.
Таким образом, ингибирование PHO-конститутивных мутантов — это пример маскировки частоты мутаций из-за конкуренции между мутантами и их предковыми клетками дикого типа.
«Этот пример показывает, что ситуации, подобные "трагедии общин", могут происходить и в других условиях, и их следует учитывать при оценке частоты мутаций», — заключил ученый.
Исследование поддержано Исследовательским фондом Сан-Паулу (FAPESP).