Борьба с вирусами с помощью взаимозаменяемых защитных генов

Исследовательская группа под руководством микробиолога Мартина Польца из Венского университета изучила, как бактерии защищаются от вирусных хищников — бактериофагов. Исследование показывает, что бактерии обладают обмениваемыми генетическими элементами, специально предназначенными для защиты от вирусов, что позволяет бактериальной популяции удивительно быстро менять свой врожденный иммунитет. Вопрос о том, как и как быстро бактерии развивают устойчивость к вирусам, имеет центральное значение для разработки фаговых терапий против бактериальных инфекций. Исследование опубликовано в журнале Science.

Обмен мобильными защитными генами

«Каждая бактериальная клетка имеет набор защитных генов, которые позволяют ей уничтожать определенные вирусы, — объясняет руководитель проекта. — Наше исследование показывает, что эти защитные гены очень быстро обмениваются между бактериальными клетками». Это возможно потому, что они встроены в так называемые мобильные генетические элементы, которые сами контролируют, будут ли и когда они передаваться от одной клетки к другой.

Защита от вирусов формирует бактериальную эволюцию

Каждая бактерия обладает не только основным геномом, общим для всех бактерий своего вида, но и содержит мобильные генетические элементы. Исследование показывает, что эта мобильная, обмениваемая часть генома в первую очередь служит одной цели — защите от фагов. Таким образом, борьба с вирусами формирует обмен геномами и, следовательно, бактериальную эволюю.

Анализ врожденных механизмов защиты у морских бактерий Vibrio

Исследователи анализировали врожденные, закодированные в геноме механизмы защиты. «Наши результаты подчеркивают, что именно этот врожденный иммунитет в основном отвечает за защиту от вирусов. Ранее, на основе лабораторных экспериментов, предполагалось, что бактерии защищаются от вирусов в первую очередь путем модификации рецепторов на своей поверхности», — поясняет первый автор исследования Фатима Айша Хуссейн.

В течение трех месяцев ученые ежедневно собирали пробы воды на побережье Новой Англии, чтобы изучить взаимодействие бактерий Vibrio и вирусов в их естественной среде обитания. С помощью геномного и генетического анализа они наблюдали чрезвычайно быстрые эволюционные изменения: за 93 дня исследования отдельные бактерии развили специфическую устойчивость посредством обмена мобильными генными элементами. «Эти изменения происходят за несколько поколений, то есть клеточных делений, — объясняет главный исследователь Мартин Польц. — Это означает, что в дикой природе бактерии могут развить устойчивость к определенным вирусам в течение нескольких недель или месяцев».

Важные последствия для разработки фаговых терапий

Фаги и бактерии взаимодействуют очень специфично. Поэтому вирусные атаки успешны только против отдельных бактерий, а не против целого вида. Исследование демонстрирует причину: «Защитные гены очень разнообразны и обмениваются очень быстро, так что в популяции всегда присутствует большое количество устойчивых особей», — объясняет Мартин Польц.

Полученные данные не только дают фундаментальные знания о функционировании микробных сообществ. Они также указывают на сложности в борьбе с бактериями с помощью фагов: «Быстрое приобретение устойчивости необходимо учитывать при разработке фаговых терапий, особенно потому, что мобильные генетические элементы, подобные изученным нами, также ответственны за быстрое развитие устойчивости к антибиотикам».