Бактерии используют вирусы для распознавания «свой-чужой»

Бактериальные клетки, обычно колонизирующие наш кишечник, могут отличать себя от других видов бактерий с помощью того, что традиционно считается их врагом — вируса. Исследователи сообщают 16 апреля в журнале Cell Reports, что некоторые бактерии используют заразившие их вирусы (т.е. фаги) для самораспознавания, демонстрируя тем самым большую приспособленность и отталкивая конкурентов, лишённых этой адаптации.

«Это первое доказательство того, что клетки могут отличать себя от родственных конкурентов с помощью вируса», — говорит Томас Вуд из Университета штата Пенсильвания, один из старших авторов исследования. — «Это означает, что нам следует пересмотреть отношения между вирусом и его клеткой-хозяином, поскольку вирусная инфекция иногда может быть полезной».

Идея исследования возникла, когда Вуд и его команда заметили разделительную линию, которая формировалась между разными штаммами Escherichia coli K-12, но не между идентичными клонами, когда они двигались навстречу друг другу. Чтобы исследовать лежащие в основе механизмы, Вуд, первый автор Суюн Сон и старший автор исследования Сяосюэ Ван проверили поведение при движении полной библиотеки E. coli K-12 из 4296 нокаутов по одному гену.

Они обнаружили, что разделительная линия полностью исчезала только при одной мутации, затрагивающей ген, необходимый для репликации некоторых фагов. Результаты показали, что за бактериальное самораспознавание ответственны фаг-родственные белки.

В соответствии с этой идеей, исследователи также обнаружили, что разделительная линия исчезала у штамма E. coli K-12, лишённого всех девяти криптических профагов — геномов бактериофагов, интегрированных в хромосомы бактерий, но не образующих активные фаговые частицы и не лизирующих клетки-хозяева. Дополнительные эксперименты показали, что для формирования разделительной линии были необходимы криптический профаг CPS-53 и один из его белков, YfdM.

Поскольку CPS-53 практически неактивен в плане лизиса клеток и продукции фаговых частиц, исследователи предположили, что разделительная линия формируется за счёт лизиса клеток, вызванного другим, активным фагом. Они выяснили, что воздействие белка YfdM на бактериальные клетки, содержащие активный литический фаг SW1, стимулировало продукцию фаговых частиц и вызывало лизис клеток, в основном тех, у которых не было SW1. Более высокие концентрации YfdM или фаговых частиц приводили к формированию более толстой разделительной линии между бактериальными клетками. Результаты позволяют предположить, что SW1 контролирует формирование разделительной линии, используя для своего размножения один из белков криптического профага хозяина — YfdM от CPS-53.

«E. coli использует инструменты своего старого врага, застрявшего в её хромосоме, чтобы работать с этим новым вирусом SW1, который в основном остаётся снаружи клетки, «катаясь» на ней», — говорит Вуд. — «Таким образом, бактериальная клетка использует и новый вирус SW1 против своих конкурентов, и белок от вируса, который атаковал миллионы лет назад».

Эта стратегия явно приносила пользу клеткам-хозяевам, которые отталкивали другие штаммы, лишённые SW1, и демонстрировали преимущество в росте при столкновении с фаговыми частицами от других штаммов. «Новый вирус SW1 и старый вирусный белок YfdM используются клеткой как инструменты в поисках пищи — а все бактерии обычно голодают», — объясняет Вуд. — «Основная идея в том, что клетка, несущая вирус SW1, погибает не так часто, как та, которая раньше не сталкивалась с вирусом SW1. Поэтому клетка с вирусом SW1 более приспособлена, чем клетка без него».

Этот вновь открытый механизм самораспознавания позволяет бактериям формировать социальные группы, сотрудничая с родственными клетками и противостояя неродственным во время поведения, которое может быть важным для питания, вирулентности, защиты, чувства кворума и формирования биоплёнок. «Бактерии часто воспринимаются как живущие поодиночке, но на самом деле они могут добывать пищу группами», — говорит Вуд. — «Чтобы действовать как группа, они должны уметь отличать себя от других бактерий. При одном типе социальной активности, когда они общаются, бактериальные клетки выделяют химические сигналы. Теперь мы показываем, что клетки используют вирусы, чтобы отличать себя от близкородственных бактерий».

В будущих исследованиях учёные планируют выяснить, как SW1 избегает атаки на свои клетки-хозяева, убивая в основном бактерии, лишённые этого вируса. В конечном счёте, понимание того, как клетки конкурируют, может быть полезным для приложений синтетической биологии, имитирующих природу и использующих бактерии в группах. «Кроме того, если мы лучше поймём, как вирусы выбирают, какие клетки атаковать, мы, возможно, сможем более эффективно использовать вирусы для борьбы с бактериальными инфекциями».