Эволюция в лаборатории, находка в природе: скрытые способности к определению pH у микробных культур

В исследовании под руководством Сары Уортан, доктора философии, постдокторанта лаборатории Берингера в Университете Вандербильта, учёные успешно вывели микробные культуры, способные определять изменения pH, что позволяет им быстро реагировать на колебания окружающей среды.

Помимо демонстрации силы лабораторной эволюции, это открытие также привело к обнаружению аналогичных мутаций в природе у возникающих патогенов и симбионтов кораллов — организмов, которые сталкиваются со сложными изменениями pH в своей среде и которых в остальном трудно изучать.

Новая статья «Эволюция чувствительной к pH терминации транскрипции в Escherichia coli в ходе адаптации к повторяющемуся долгосрочному голоданию» была опубликована в Proceedings of the National Academy of Science 19 сентября 2024 года. Ключевым результатом работы стало открытие мутации в независимо эволюционировавших популяциях бактерий, которая возникает, когда бактерии подвергаются циклам «пир-голод».

Согласно статье, эта мутация, при которой аминокислота аргинин заменяется на гистидин, произошла в белке Rho, который участвует в терминации транскрипции РНК. Мутации аргинина в гистидин также наблюдались при раке и, как было показано, придают онкогенным белкам адаптивную способность к определению pH. У бактерий эти мутации аргинина в гистидин могут определять pH и изменять активность белка Rho, быстро влияя на экспрессию генов.

Эволюция в лаборатории

Соавтор Бенджамин Браттон, доктор философии, доцент кафедры патологии, микробиологии и иммунологии Медицинского центра ВУ, руководил визуализацией лабораторных экспериментов и анализом pH-тестов, в то время как соавтор Марк Будвиллен, доктор философии, директор по исследованиям CNRS в Центре молекулярной биофизики в Орлеане, Франция, и химик по образованию, руководил биохимическими экспериментами, демонстрирующими изменённую активность Rho в различных pH-средах.

По словам Меган Берингер, доктора философии, доцента биологических наук и главного исследователя исследования: «Эта мутация в гене rho неоднократно возникала в наших лабораторных эволюционных культурах. Мы проверили множество фенотипов и с трудом идентифицировали специфические эффекты мутации Rho. Затем мы связались с Марком, и он спросил, не рассматривали ли мы возможность того, что эффекты могут варьироваться в зависимости от pH.

Именно тогда мы вернулись к нашим геномным данным и заметили, что каждая мутация в rho совпадала с мутацией в гене под названием ydcI. Об этом гене известно немного, но совсем недавние исследования предполагали, что он может играть роль в pH-гомеостазе. Марк предложил протестировать наш белок Rho in vitro на pH, и когда он и [соавтор] Милдред вернулись с результатами, мы начали складывать всю картину воедино».

«Доктор Берингер обратилась ко мне через несколько недель после открытия моей лаборатории в Вандербильте с этим интересным наблюдением о pH раствора, но задалась вопросом, есть ли способ измерить pH внутри отдельных клеток», — отметил Браттон.

«Измерение физиологии отдельных бактериальных клеток — один из основных навыков лаборатории Браттона, поэтому это сотрудничество было прекрасным. Несмотря на то, что бактерии взаимодействуют друг с другом через свою внеклеточную среду, отдельные клетки имеют некоторый контроль над своей внутриклеточной средой».

Будвиллен добавил: «Мы были рады внести свой вклад в биохимические эксперименты, показывающие, что мутация Arg-to-His действительно регулирует активность Rho pH-зависимым образом in vitro».

Находка в природе

После лабораторных экспериментов команда отправилась на поиски этих мутаций в природных системах.

По словам Берингер: «Мы нашли её у этого малоизученного патогена, Bartonella baciliformis, который вызывает болезнь Карриона в Андийских долинах Южной Америки. Этот вид бактерий уже был известен своей способностью определять pH, поскольку он должен быстро адаптироваться от высокого pH кишечника насекомого к нейтральному pH человеческой крови при передаче через своего переносчика — москита».

Эти результаты также имеют значение для мира морских губок. Согласно статье, pH океана образует градиенты в определённых областях, например, внутри гидротермальных источников или внутри тел губок. Микроорганизмы, живущие в этих областях и вокруг них, должны уметь быстро адаптироваться к обеим средам. Их эволюционировавшая экспрессия генов позволяет осуществить этот переход; однако изменение климата может серьёзно изменить эту динамику.

«Если pH океана начнёт больше походить на pH губки, это может подвергнуть опасности бактерии и их симбионтов», — сказала Берингер. «Бактерии могут потерять сигнал окружающей среды, который индуцирует правильное поведение для их текущей среды».

Будвиллен сказал, что это сотрудничество началось как счастливая случайность. Берингер сначала связалась с Будвилленом, чтобы посмотреть на дополнительный рисунок, который исчез с веб-сайта. При общении они поняли, что их исследовательские траектории хорошо совпадают.

«Я был очень рад участвовать в этой междисциплинарной работе. Я многому научился у Бена, Сары и Меган», — сказал он. — «Было большим удовольствием и возможностью работать с этими молодыми и динамичными коллегами».