Чужеродная ДНК «проскальзывает» мимо защитных систем бактерий, способствуя устойчивости к антибиотикам
Исследование Тель-Авивского университета показывает, как механизмы бактериальной защиты могут быть нейтрализованы, что позволяет эффективно передавать генетический материал между бактериями. Это открытие может помочь в создании инструментов для борьбы с кризисом антибиотикорезистентности и разработке более эффективных методов генетических манипуляций.
Исследование провела аспирантка Брурия Самуэль из лаборатории профессора Давида Бурштейна в Шмунисской школе биомедицины и исследования рака. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Генетическое разнообразие критически важно для выживания видов. Бактерии, в отличие от человека, не размножаются половым путём, но у них есть альтернативные механизмы, например, прямой перенос ДНК. Именно так с тревожной скоростью распространяется устойчивость к антибиотикам.
Ключевой вопрос: как происходит обмен генетическим материалом, если у бактерий есть множество защитных систем, предназначенных для уничтожения чужеродной ДНК?
Исследование сфокусировано на процессе конъюгации — одном из основных механизмов переноса ДНК. При конъюгации одна бактериальная клетка соединяется с другой через тонкую трубку и передаёт фрагменты генетического материала — плазмиды.
- Плазмиды — это небольшие кольцевые молекулы двуцепочечной ДНК, «мобильные генетические элементы».
- Они часто несут гены, полезные для бактерии-реципиента, например, гены устойчивости к антибиотикам.
- Однако у бактерий есть механизмы защиты, такие как система CRISPR, способная уничтожать чужеродную ДНК.
До сих пор было неясно, как плазмиды преодолевают эти системы защиты.
Ход исследования:
- Вычислительный анализ: Брурия Самуэль проанализировала 33 000 плазмид и обнаружила в них гены, связанные с «анти-защитными» системами, которые помогают обходить бактериальную защиту.
- Ключевое открытие: Эти гены оказались сосредоточены рядом с точкой разреза плазмидной ДНК, откуда начинается её перенос в новую клетку. Такое стратегическое расположение означает, что они первыми попадают в клетку-реципиент и активируются немедленно, давая плазмиде преимущество для нейтрализации защитных систем.
- Экспериментальное подтверждение: Учёные
использовали плазмиды с генами устойчивости к антибиотикам и внедрили их
в бактерии, оснащённые системой CRISPR.
- Если анти-защитные гены находились рядом с точкой входа, плазмида успешно преодолевала CRISPR, и бактерии становились устойчивыми.
- Если эти гены были расположены в другом месте плазмиды, система CRISPR уничтожала её, и бактерии погибали.
Значение и потенциальное применение:
- Поиск новых генов: Понимание принципа расположения анти-защитных систем поможет находить новые гены этого типа.
- Биотехнологии: Можно будет создавать более эффективные плазмиды для генетических манипуляций с бактериями в промышленности, где эффективность искусственных плазмид пока значительно ниже, чем у природных.
- Борьба с резистентностью: Потенциально возможно создание плазмид для блокировки генов устойчивости к антибиотикам в бактериальных популяциях больниц.
- Экология и медицина: Метод может быть использован для «обучения» бактерий разлагать загрязнители, фиксировать CO2 или для манипуляций с микробиотой кишечника в терапевтических целях.
Технологическая компания Ramot при Тель-Авивском университете рассматривает это открытие как значительный прорыв с широкими возможностями применения в синтетической биологии, агро- и фудтехе, а также в разработке лекарств.