Бактериальный секс движет эволюцией микробов для завоевания и колонизации кишечника

Это открытие представляет собой смену парадигмы и открывает возможность для разработки терапий, нацеленных на фаги, способных справляться с последствиями инфекций, применения антибиотиков и устойчивых к ним бактерий.

Большинство знаний о колонизации кишечника бактериями получено из исследований патогенных бактерий в искусственных лабораторных моделях или в контексте болезней. Стандартные экспериментальные модели, фокусирующиеся на инфекциях патогенными бактериями и постоянной антибиотикотерапии, не выявляли горизонтального переноса генов (ГПГ), опосредованного фагами, и предполагали, что бактерии в кишечнике эволюционируют в основном за счёт накопления мутаций. В неожиданном открытии исследователи из IGC показали, что ГПГ, а не мутации, является первичным эволюционным механизмом, определяющим темп и результат эволюции бактерий в здоровом кишечнике.

Escherichia coli — обычный колонизатор кишечника человека и потенциальный патоген. На результат колонизации сильно влияют скорость и способ эволюции этой оппортунистической бактерии. E. coli может эволюционировать через мутации, наследуемые дочерними клетками, или через рекомбинацию, то есть бактериальный секс, при котором генетический материал передаётся между неродственными особями. В кишечнике мыши и человека этот перенос генетического материала осуществляется с помощью умеренных бактериофагов (фагов) — вирусов, которые заражают бактерии и встраиваются в их хромосому в виде профагов (процесс лизогении). Позже профаги могут вырезаться из бактериальной ДНК (со своим генетическим материалом) и заражать другие бактерии в микробиоме кишечника.

«Фаги, которых часто классифицируют как эгоистичные, проявляют свою альтруистическую сторону в кишечнике, предоставляя своему бактериальному хозяину метаболическое преимущество для завоевания и колонизации кишечника», — говорит Нелсон Фразан, постдок в лаборатории Изабель Гордо и младший автор исследования. Передаваемый фаговый генетический материал позволяет бактериям получить доступ к определённым источникам углерода в кишечнике, что даёт преимущество в приспособленности бактериям-захватчикам, несущим фаг (лизогенным).

«Мы обнаружили, что классическая модель эволюции неприменима, и на самом деле горизонтальный перенос генов в кишечнике здоровой мыши значительно превосходит по вкладу эволюцию через накопление мутаций», — говорит исследователь Изабель Гордо. «Благодаря этой работе мы теперь лучше понимаем, как работает эволюция у нормальных, здоровых хозяев», — добавляет Нелсон Фразан.