Бактерии стрептококка конкурируют за «владение» тканями человека

Общепринятый принцип в животном мире — от ос до оленей — гласит, что особи, уже занимающие территорию, почти всегда побеждают конкурентов своего же вида, прибывающих позже. Такая борьба за одну и ту же территорию может считаться «расточительной» с точки зрения природы.

Хотя механизмы, позволяющие «хозяевам» побеждать «пришельцев», обычно связаны с мозгом, новое исследование под руководством учёных из Медицинской школы NYU показало, что этот принцип работает и у некоторых бактерий — они заявляют «право собственности» на ткани человека-хозяина для конкурирующих штаммов, и для этого мозг не требуется.

Результаты исследования, опубликованные 10 декабря в Nature Microbiology, свидетельствуют, что какой бы штамм Streptococcus pneumoniae ни занял первым ткани млекопитающего, он с большей вероятностью будет процветать, чем «опоздавшие» штаммы.

«Поскольку стрептококковые инфекции ежегодно уносят жизни почти миллиона детей до пяти лет во всём мире, мы срочно ищем новые способы победить бактерии, изучая, как они конкурируют друг с другом», — говорит старший автор исследования Джеффри Вайзер, доктор медицинских наук, заведующий кафедрой микробиологии NYU Langone Health.

Сделав шаг назад, предыдущие исследования установили, что бактерии запускают определённые механизмы только тогда, когда инфекция развивается до такой степени, что их популяция превышает порог плотности, известный как «кворум».

Новое исследование предполагает, что среди механизмов, запускаемых кворумом стрептококка, — высвобождение двух токсинов: холин-связывающего белка D (CbpD) и бактериоцинов, индуцированных компетентностью (CibAB). Эти токсины убивают вторгающиеся конкурирующие штаммы. Однако «хозяева» также выделяют другие факторы, защищающие их от собственных токсинов. Их недавно прибывшие сородичи, ещё не достигшие кворума, ещё не успели развернуть свою защиту.

Другие исследования указывали на концепцию, согласно которой после гибели бактерий-«пришельцев» они лопаются и высвобождают свою ДНК во внеклеточное пространство. Это позволяет бактериям, которые их убили, «отбирать» их ДНК, захватывая и используя любые гены, которые помогают «хозяину» выжить или победить антибиотики.

С этим процессом связана концепция «компетентности» — способности бактериальной клетки инкорпорировать чужеродную ДНК. У стрептококка эта функция регулируется набором генов, называемым регулоном компетентности.

Объединив все эти факторы, новое исследование показывает, что механизм, дающий преимущество штаммам-«хозяевам», — это, по сути, индуцированная кворум-сенсингом и регулоном компетентности продукция и высвобождение бактериоцинов (таких как CibAB) для уничтожения вновь прибывших конкурентов.

Авторы приводят пример самцов благородного оленя, которые эволюционно решают территориальные споры с помощью физических демонстраций, включая агрессивный рёв, а не драк, которые могут навредить всему стаду.

Исследователи утверждают, что вместо того, чтобы тратить энергию на борьбу штаммов за доминирование, стрептококк эволюционировал, чтобы «фиксировать» победу за тем, кто пришёл первым, достигая общей эффективности на основе кворум-сенсинга, а не поведения. Это явление может объяснить увеличение случаев, наблюдаемых при инфекциях у людей, когда сохраняется больше штаммов стрептококка, чем предсказывают популяционные модели, говорит Вайзер.

Команда также использовала математическое моделирование, чтобы подтвердить идею, что активация регулона компетентности играет значительную роль в конкуренции за доминирование, даже для штаммов с разными конкурентными преимуществами, и что доминирование «хозяина» проявляется быстро.

Например, исследователи обнаружили, что уже в течение шести часов присутствие штамма-«хозяина» подавляло долгосрочное присутствие или «колонизацию» «пришельцами» того же вида в дыхательных путях мышей, даже когда конкурирующие штаммы имели одинаковые гены.