От Джекилла к Хайду: новое исследование выявило мутацию, делающую E. coli смертоноснее

Для человека бактерии можно разделить на вредные (патогенные) и безвредные или полезные (непатогенные). Чтобы разработать более эффективные методы лечения, необходимо понимать механизмы, делающие бактерии вирулентными. Хотя учёные уже идентифицировали гены вирулентности, остаётся неясным, как именно бактерии эволюционируют, становясь патогенами.

Чтобы это выяснить, профессор Тикара Кайто и его команда из Университета Окаямы (Япония) использовали метод экспериментальной эволюции для выявления молекулярных механизмов, которые клетки развивают для получения полезных признаков. Результаты опубликованы в PLoS Pathogens. «Наше исследование уникально, потому что никто ранее не изучал эволюцию вирулентности бактерий в организме животного; предыдущие работы ограничивались клеточными культурами», — отметил профессор Кайто.

Учёные начали с непатогенной Escherichia coli (E. coli), многократно мутировали её и заражали тутового шелкопряда — насекомое, часто используемое в качестве модели для изучения инфекционных заболеваний. Затем они проверяли, вызывает ли мутировавшая бактерия гибель шелкопряда.

В результате эксперимента были созданы штаммы E. coli с 500-кратным увеличением вирулентности по сравнению с исходным. Оказалось, что одной из причин этого стали мутации в гене, кодирующем белок-транспортёр липополисахарида (LPS). Этот белок входит в состав бактериальной клеточной мембраны и защищает бактерию от повреждений, а также необходим для роста E. coli.

Мутации, повышающие смертоносность, также придали E. coli устойчивость к некоторым антибиотикам и антибактериальным веществам шелкопряда. Вероятная причина — соответствующее увеличение концентрации внешних мембранных везикул. Эти структуры бактерии выделяют, чтобы поглощать вредные соединения и не допускать их проникновения внутрь клетки.

Исследователи также определили характеристики веществ, к которым патогенные штаммы стали устойчивы: они были гидрофобными (отталкивающими воду) и положительно заряженными. Это согласуется с увеличением количества внешних мембранных везикул, которые сами гидрофобны и отрицательно заряжены, что позволяет им удерживать такие вещества (по принципу притяжения противоположных зарядов).

Мутации были обнаружены в частях LPS-транспортёра, которые находятся непосредственно на внешней стороне бактериальной мембраны. Учёные полагают, что это связано с тем, что эти области больше подвержены воздействию окружающей среды, испытывают большее давление естественного отбора и, следовательно, более подвержены мутациям.

«Мы впервые показали, что мутации в LPS-транспортёре могут повышать вирулентность, и предоставили доказательства того, как это происходит — мутантные бактерии производят больше внешних мембранных везикул», — объясняет профессор Кайто. Кроме того, команда определила конкретные структурные изменения в мутировавшем транспортёре, которые могут объяснять различия в вирулентности у разных видов бактерий — из-за различий в структуре этого белка.

Профессор Кайто о вкладе работы: «До нашего исследования было не совсем ясно, как именно бактерии эволюционируют, приобретая более вредоносные свойства. Наша работа помогает это прояснить. Понимание этого процесса открывает возможность создания препаратов или методов терапии, которые могли бы предотвратить превращение бактерий в патогенные, особенно если мы найдём другие белки, подобные LPS-транспортёру, мутации в которых оказывают столь значительный эффект».

Необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить, будут ли наблюдаемые мутации также повышать вирулентность при заражении животных крупнее шелкопряда, например, млекопитающих. Однако данное исследование — определённо первый шаг к разгадке тайны различий между опасными и безвредными бактериями.