Токсины одного вида бактерий способствуют генетическому разнообразию других

Токсин, вырабатываемый бактериями в качестве защитного механизма, вызывает мутации у бактерий-мишеней, которые могут помочь им выжить. Таковы результаты исследования, опубликованного в журнале eLife.

Это открытие предполагает, что конкурентные взаимодействия между бактериальными клетками могут иметь глубокие последствия для эволюции бактериальных популяций.

Когда бактериальные клетки вступают в контакт, они часто производят токсины для защиты. Хотя известно, что бактерии, производящие эти токсины, получают конкурентное преимущество, то, как именно токсины влияют на клетки-реципиенты, изучено меньше.

Команда начала с изучения токсина под названием DddA (двухцепочечная деаминаза A), обнаруженного у бактерии Burkholderia cenocepacia. DddA удаляет из ДНК химические группы, называемые аминами, вызывая специфическое изменение генетического кода.

Чтобы понять, как DddA убивает бактериальные клетки, команда изучила, как большая доза токсина влияет на хромосомы Escherichia coli (E. coli). Они обнаружили, что DddA вызывает быстрое разрушение хромосом и остановку репликации ДНК. Кроме того, секвенирование ДНК до её распада выявило широко распространённые мутации, соответствующие типам химических изменений, которые может вызывать DddA.

Несмотря на эту способность наносить ущерб, команда с удивлением обнаружила, что DddA не убивал клетки E. coli, когда доставлялся в естественных количествах бактерией-продуцентом. Это заставило их проверить, является ли DddA естественно токсичным для других видов бактерий. Они выявили несколько видов, чувствительных к DddA при доставке Burkholderia cenocepacia, и начали определять механизм. Как и ожидалось, они обнаружили такое же накопление мутаций и повреждение хромосом, как и при большой дозе DddA у E. coli.

Однако, учитывая, что DddA не убивал E. coli при естественной доставке, команда проверила, вызывают ли сублетальные дозы DddA мутации, дающие преимущество. Они обнаружили, что у E. coli, выращенной в конкуренции с продуцирующими DddA клетками Burkholderia cenocepacia в течение одного часа, было в десять раз больше антибиотикорезистентных клеток по сравнению с E. coli, не подвергавшейся воздействию DddA. Секвенирование ДНК резистентных клеток E. coli показало, что устойчивость была вызвана характерными для DddA мутациями.

Затем они изучили другие бактериальные клетки, которые были устойчивы или чувствительны к гибели при воздействии DddA. Среди устойчивых организмов, таких как патогены человека Klebsiella pneumoniae и энтерогеморрагическая E. coli, при контакте с DddA также наблюдалось большее количество антибиотикорезистентных клеток с характерными мутационными сигнатурами DddA. Напротив, в клетках, чувствительных к DddA, не было повышенного уровня мутаций, и только 15% антибиотикорезистентных клонов имели паттерны мутаций, сходные с вызываемыми DddA. Это позволяет предположить, что мутации могут быть редким исходом токсичности DddA у выживших чувствительных видов.

Команда также охарактеризовала дополнительные классы DddA-подобных токсинов и идентифицировала родственный токсин у фитопатогена Pseudomonas syringae. Хотя этот токсин вызывает те же химические изменения в ДНК, он действует на одноцепочечную ДНК, поэтому исследователи назвали его одноцепочечной ДНК-деаминазой (SsdA). Структурный анализ SsdA1 подтвердил его принадлежность к тому же семейству токсинов, что и DddA, хотя и с заметными различиями.

Это исследование показывает, что межбактериальные токсины могут быть важными факторами генетического разнообразия бактерий в природных микробных сообществах, давая клеткам, пережившим интоксикацию, преимущество в редких — но критических — случаях, когда эти мутации полезны. Это также может иметь клиническое значение в ситуациях, где присутствуют бактерии, обладающие такими токсинами, а устойчивость к определённым антибиотикам требует последовательных мутаций.