Токсины и антитоксины: ключ к точечному уничтожению патогенных бактерий

Бактерии способны вырабатывать саморазрушающие токсины, но при этом производят и нейтрализующие их антитоксины. Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) определили, что эти системы «токсин-антитоксин» могут стать «отмычкой» для взлома бактериальных сообществ.

Исследование, опубликованное в Molecular Biology and Evolution, рассматривает бактерии на уровне сообществ. Бактерии в сообществе взаимодействуют и обмениваются ДНК, что способствует наличию у них схожих систем «токсин-антитоксин». Любой новый или необычный захватчик, например, сальмонелла из заражённой пищи, будет иметь другие системы.

«Вы можете получить от врача антибиотик, который уничтожит всё, включая полезную микрофлору кишечника. Это может привести к оппортунистическим инфекциям, таким как C. diff. Если бы мы могли избирательно нацеливаться на "чужаков", мы могли бы сохранить существующее сообщество», — говорит Джонатан Бетке, постдок из отдела бионаук и биотехнологий LLNL.

Системы «токсин-антитоксин» были открыты в 1980-х годах в связи с плазмидами — мобильными генетическими элементами, перемещающимися между бактериями. Бактерии обмениваются этой ДНК разными способами: через пили (волосовидные выросты, образующие мостики между клетками), через свободно плавающую ДНК и даже с помощью вирусов.

Хотя токсины, связанные с плазмидами, действительно убивают бактерий, их носители могут извлекать из них пользу. Например, гены устойчивости к антибиотикам часто переносятся на плазмидах. Кроме того, эти системы могут действовать как врождённый иммунитет, подавляя отдельные бактерии, заражённые вирусами, чтобы спасти популяцию в целом.

Используя вычислительный подход, команда LLNL исследовала 10 000 плазмид и сгруппировала их в сообщества на основе их систем «токсин-антитоксин». Удивительно, но эта стратегия воссоздала сообщества, собранные с помощью более ресурсоёмких сравнений целых геномов, и предложила более целенаправленный метод борьбы с инфекциями.

«Допустим, я попросил вас избирательно уничтожить определённый тип бактерий в смешанном сообществе. Если вы сравниваете все гены во всём сообществе, вы не знаете, на чём сосредоточиться. В данном случае мы показываем, что системы "токсин-антитоксин" могут помочь вам сузить фокус», — пояснил Бетке.

Эволюция бактерий отличается от человеческой. При делении и создании клона генетического разнообразия не происходит. Вместо этого ключевые эволюционные изменения происходят через мобильные генетические элементы, такие как плазмиды.

«Это очень общинная эволюция. Поэтому, продолжая рассматривать бактерии не через традиционную призму видов, а через призму сообщества, мы, возможно, сможем понять их гораздо лучше», — заключил Бетке.