Кожный микробиом ядовитых тритонов способствует адаптивной выработке тетродотоксина

Классический пример в экологии — эволюционная гонка вооружений между ядовитым шершавым тритоном и подвязочной змеёй. Чем более устойчивой становится змея к нейротоксической защите тритона, тем больше токсина производит тритон — у некоторых особей достаточно, чтобы убить два десятка человек.

Однако в статье, опубликованной в открытом журнале eLife, аспирант Колледжа естественных наук (NatSci) Университета штата Мичиган, а ныне постдок в Гарварде, Патрик Ваэлли значительно усложнил эту историю.

Оказывается, в гонке вооружений есть невидимая, но высоковлиятельная третья сторона: производящие нейротоксин бактерии, живущие на коже тритона.

Роль BEACON

Семь лет назад Хизер Айстен, нейроэтолог из Департамента интегративной биологии MSU и будущий научный руководитель Ваэлли, выступила с докладом в Центре BEACON по изучению эволюции в действии.

Ваэлли пришёл в лабораторию Айстен как аспирант примерно в то же время. Поиск источника TTX у тритонов начался с этого доклада и получил развитие благодаря двум начальным грантам от Центра BEACON.

Бактерии

Ваэлли знал из литературы, что бактерии в рыбе фугу производят TTX, и решил выяснить, так ли это у тритонов. Имея мало опыта в микробиологии, он получил руководство от Кевина Тейса, соавтора статьи, о том, как секвенировать ген 16S рибосомной РНК — своего рода штрих-код для идентификации бактерий.

Затем Ваэлли предстояло определить, как производится нейротоксин, что оказалось серьёзной сложностью. Ему пришлось культивировать все бактерии и анализировать среду на производство TTX. Воспроизведение среды кожи тритона и побуждение бактерий к выработке природных молекул было сложной задачей.

После трёх лет скрининга сотен бактериальных культур в Центре масс-спектрометрии MSU Ваэлли удалось идентифицировать штаммы бактерий, производящих TTX, из четырёх родов. Один из них, Pseudomonas, оказался достоверно коррелирован с уровнем токсичности тритона.

Это был первый случай идентификации бактерий, производящих TTX, на амфибии или любом наземном животном.

Шершавый тритон

После трёх лет культивирования бактерий с малым результатом Ваэлли начал изучать, как тритоны развивают устойчивость к TTX.

TTX, открытый в Японии в 1909 году, — хорошо изученная молекула. Он связывается с белком в нервной системе — потенциал-зависимыми натриевыми каналами (Nav), первыми белками, участвующими в генерации нервных электрических сигналов. TTX блокирует Nav, предотвращая поступление натрия в клетку, что подавляет нейроны и вызывает паралич мышц.

Ситуацию осложняет тот факт, что у тритонов был не один белок Nav, а шесть.

Ваэлли секвенировал пять из шести генов (один ген был секвенирован ранее) и обнаружил, что у всех шести есть мутации, и все они независимо эволюционировали к устойчивости.

Результаты Ваэлли стали прекрасным примером конвергентной эволюции — когда два разных вида развивают одну и ту же структуру для достижения одной цели.

Собирается совершенно новый способ понимания естественного отбора. Невозможно понять полную картину гонки вооружений между тритоном и змеёй, не учитывая, как микробы напрямую взаимодействуют с физиологией.