Учёные открыли, как паразиты вирусов ускоряют эволюцию супербактерий

В исследовании, опубликованном в Cell, учёные из Национального университета Сингапура (NUS) и Имперского колледжа Лондона открыли новый способ передачи генов между бактериями, позволяющий им эволюционировать гораздо быстрее, чем считалось ранее.

Исследование под руководством доцента Джона Чена (NUS Medicine) может помочь лучше понять, как патогенные бактерии эволюционируют, становясь более вирулентными и устойчивыми к антибиотикам.

Способность обмениваться генетическим материалом — главный двигатель микробной эволюции. Бактериофаги (вирусы бактерий) могут выступать проводниками для передачи генов между бактериями в процессе генетической трансдукции.

Известны три механизма трансдукции: обобщённая, специализированная и латеральная. Латеральная трансдукция была открыта этими же группами исследователей в 2018 году и как минимум в тысячу раз эффективнее следующего по мощности механизма — обобщённой трансдукции.

Новый процесс назвали латеральной ко-трансдукцией. Его архитекторами являются островки патогенности Staphylococcus aureus (SaPIs) — «эгоистичные» элементы ДНК, которые паразитируют на фагах и часто интегрированы в хромосомы изолятов S. aureus.

S. aureus может вызывать стафилококковые инфекции у людей и животных. Хотя обычно это кожные инфекции, они могут стать опасными для жизни, если бактерии попадут в кровоток и инфицируют органы, кости или суставы.

Профессор Хосе Р. Пенадес (Имперский колледж Лондона) отметил: «Это открытие проливает свет на новый путь эволюции бактерий. Учитывая тревожный рост антибиотикорезистентных супербактерий, понимание механизмов их эволюции становится критически важным».

Новый процесс, латеральная ко-трансдукция, сравним по эффективности с латеральной трансдукцией, но превосходит её по универсальности и сложности. Латеральная трансдукция происходит только при реактивации спящих профагов в бактериальном геноме, когда они начинают размножаться в литическом цикле. Латеральная ко-трансдукция может происходить как в процессе реактивации, так и при заражении новых бактериальных клеток.

Кроме того, в отличие от фагов, которые жертвуют частью своего генома для передачи бактериальной ДНК, SaPIs могут передавать себя полностью интактными вместе с бактериальной ДНК посредством латеральной ко-трансдукции. Эта способность позволяет им постоянно повторять процесс, делая их гораздо более мощными и эффективными в передаче бактериальных генов.

Доцент Чен заявил: «Наше исследование показало, что бактерии могут эволюционировать гораздо быстрее, чем мы понимали. Если генетическая трансдукция всегда считалась исключительной прерогативой фагов, то, в неожиданной иронии, наша работа показала, что паразиты самых плодовитых паразитов на планете (фагов), вероятно, являются самыми мощными и эффективными агентами трансдукции из известных на сегодняшний день».

Подъём супербактерий требует новых методов лечения. Один из таких методов, набирающий популярность, — фаговая терапия, использование фагов для уничтожения вредных бактерий. Однако некоторые терапевтические фаги могут оказаться невольными пособниками SaPIs или других элементов, способных к латеральной ко-трансдукции.

По словам профессора Пенадеса, этот процесс, вероятно, происходит и у многих других видов бактерий. «Это революционное открытие знаменует смену парадигмы в нашем понимании эволюции бактерий и сильно повлияет на способы борьбы с антибиотикорезистентностью».

«Фаги могут быть использованы для уничтожения бактерий в краткосрочной перспективе, но в долгосрочной — распространять вредные гены на другие клетки, что может оказаться катастрофическим. С этим новым пониманием эволюционных механизмов болезнетворных организмов терапевтические фаги необходимо тщательно проверять перед применением в терапии», — подчеркнул Чен.