Горизонтальный перенос генов у микробов происходит гораздо чаще, чем считалось

Новое исследование показывает, что гены могут передаваться от одного микроорганизма к другому в сто миллионов раз чаще, чем предполагалось ранее.

Вирусоподобные частицы, называемые агентами переноса генов (GTAs), производятся альфа-протеобактериями. Они передаются от одного микроба к другому, захватывая с собой случайные фрагменты генетического материала длиной до 1000 пар оснований. Выявленная высокая частота этого процесса может объяснять механизм, с помощью которого бактерии в океанах приобретают новые признаки, и может играть важную роль в эволюционных процессах.

Как заявил один из исследователей, морской микробиолог Джон Пол, учёные знали, что «у бактерий происходит много перемешивания генов», но до сих пор не было найдено правдоподобного механизма для этого горизонтального переноса генов (в отличие от передачи генов по поколениям).

Существование GTAs известно с момента их открытия в 1974 году, но до сих пор их считали просто любопытным феноменом или лабораторной аномалией. В лабораторных условиях бактерии производят GTAs только в «стационарной фазе», которая наступает при стрессе из-за скученности, накопления отходов и т.д. Их роль в природных условиях была неизвестна, хотя они обнаружены у большинства представителей альфа-протеобактерий.

Команда под руководством Пола сначала генетически модифицировала GTAs у двух видов альфа-протеобактерий, встроив в них гены, обеспечивающие устойчивость к антибиотикам. Бактерии подвергли стрессу для инициации стационарной фазы, после чего GTAs отфильтровали и очистили.

Затем GTAs поместили в мешочки с морской водой, взятой из различных прибрежных районов Флориды и Мексиканского залива. Пробы воды изобиловали альфа-протеобактериями и другими микробами. Мешочки поместили в океан, чтобы смоделировать естественные условия. После ночной инкубации в среде с антибиотиками выжившие в образцах бактерии различных видов были изучены и генетически секвенированы. Исследователи обнаружили, что до 47% природных бактерий включили GTAs и их генетический материал в собственные геномы.

Соавтор работы Лорен МакДэниел отметила, что они были «абсолютно поражены, увидев точные совпадения с генами, которые мы встроили в донорский штамм, у бактерий других родов…». Существуют и другие механизмы горизонтального переноса генов (например, при контакте клеток, с помощью плазмид или бактериофагов), но они вряд ли могли бы привести к полученным результатам.

Статья, опубликованная в журнале Science, может помочь объяснить, как бактерии способны быстро адаптироваться к изменениям и становиться устойчивыми к антибиотикам. Гены, распространяемые горизонтально на другие бактерии, могут увеличивать свою частоту в популяции, если они полезны и повышают шансы на выживание.