Бактерии ведут постоянные войны. Изучение их оружия может привести к альтернативам антибиотикам

Под микроскопом можно увидеть, как крошечная вспышка света проходит от одной бактерии к другой. Это может выглядеть незначительно, но на самом деле идёт смертельная битва: вторая клетка только что была поражена отравленным копьём.

«Вы можете видеть, как клетка сжимается в комок и умирает», — говорит профессор Кевин Фостер из Оксфордского университета (Великобритания).

В отличие от животных, которые стараются избегать драк, бактерии могут быть очень агрессивными. Мир бактерий полон конфликтов.

Профессор Фостер начал карьеру в зоологии, изучая таких животных, как пчёлы и осы, чтобы понять баланс сотрудничества и конкуренции, прежде чем переключить внимание на микробный мир. Он считал, что в том, как микробы взаимодействуют в сообществе, ещё много неизученного.

«О бактериях раньше не думали таким образом. Традиционно на протяжении многих лет бактерии часто изучали в колбах на шейкере или рассматривали как одиночные клетки. К тому времени, когда я начал изучать бактерии (в 2005 году), люди уже осознали, что бактерии на самом деле проводят много времени в очень плотных и разнообразных сообществах», — сказал он.

«Бактерии довольно удивительны. У них есть способность обнаруживать, что на них нападают, и они будут атаковать в ответ. Завораживает, что существует целый мир конфликтов».

Профессор Фостер возглавляет проект MicroWars, изучающий, как бактерии используют своё разнообразное оружие. Перед лицом растущей угрозы антибиотикорезистентности мы можем многому научиться, изучая, как бактерии разработали способы убивать друг друга. Помимо отравленного копья, у бактерий есть целый арсенал тактик, например, выделение химических веществ — антибиотиков, — которые убивают других бактерий.

«Классический пример — антибиотики. Их, наверное, знают все. Они, как правило, диффундирующие: бактерии производят их, а затем выделяют в окружающую среду», — говорит доктор Люк Оллсопп, микробиолог из Имперского колледжа Лондона (Великобритания), который также исследует конкуренцию между бактериями.

Он не участвует в проекте MicroWars, но изучает бактериальную систему секреции VI типа, которая отвечает за запуск отравленного копья в других бактерий.

«Она может выстреливать из бактерии в окружающую среду или в организм-конкурент. Она может доставлять некоторые ферменты или токсины непосредственно внутрь этого организма-конкурента», — говорит он. — «Это наномашина, которая выстреливает его из клетки, аналогично арбалету или гарпуну».

«Я думаю, эти (оружие) системы существуют уже давно. Мы только начинаем их понимать», — добавляет он, отмечая, что хотя мы видим, что эти системы вооружения присутствуют у многих бактерий, мы до сих пор не знаем, как и когда они используются. «Понимание этого, я думаю, — большой вопрос. Затем, если бы мы могли использовать это в своих интересах, это было бы фантастически».

Преимущество

Чтобы лучше понять, как бактерии используют оружие, профессор Фостер и его команда объединяют экспертизу в области компьютерных наук, микробиологии и биоинформатики.

«Слишком просто сказать, что у одной есть токсин, а у другой нет, поэтому та, у которой есть токсин, победит. Это не так. Производство этих токсинов часто может быть очень затратным (ресурсоёмким), и если вы не очень эффективно его используете, то вас может вытеснить штамм, у которого его нет», — говорит профессор Фостер.

Его команда разработала вычислительные модели для симуляции роста и взаимодействия бактерий, прежде чем переходить к более трудоёмким экспериментам. «(С помощью вычислений) мы можем изучать всевозможные условия, при которых оружие может быть полезным или нет», — говорит он.

Исследователи превратили свои симуляции в компьютерную игру под названием Gut Wars, где игроки могут сталкивать бактерий с разными сильными сторонами друг с другом и узнавать о реальных примерах.

Чтобы проверить симуляции, команда затем изучает генетически модифицированные бактерии с флуоресцентными маркерами, чтобы отслеживать использование их систем вооружения. В качестве тестовых случаев они сосредоточены на двух типах бактерий: E. coli и Pseudomonas aeruginosa.

E. coli может быть известна как инфекция из-за заражённой пищи или воды, но она также живёт в нашем кишечнике. У неё есть ряд токсинов, которые помогают поддерживать баланс популяций различных бактерий, и некоторые штаммы даже использовались в качестве пробиотиков для лечения инфекций. Она также очень хорошо изучена, что облегчает манипуляции с ней в лаборатории для тестирования в различных условиях.

Pseudomonas может вызывать серьёзные инфекции у уязвимых людей и имеет множество систем вооружения. Помимо трёх «копьемётов» системы секреции VI типа, эти бактерии производят ряд белковых токсинов, цианид, молекулярную палку с отравленным наконечником и многое другое.

«Это исключительный случай, когда бактерия эволюционировала, чтобы быть чрезвычайно агрессивной. Так что это делает её захватывающим тестовым случаем — крайним примером бактериальной агрессии и войны», — говорит профессор Фостер.

Флуоресценция

Команда MicroWars использует генетически модифицированный штамм Pseudomonas, у которого отравленное копьё имеет флуоресцентную метку, чтобы его можно было видеть под микроскопом. Это позволяет точно видеть, когда оно используется.

Чтобы получить ещё больше деталей, они разработали штаммы Pseudomonas, которые светятся разными цветами, когда используют разное оружие.

«Один из ключевых вопросов: если у вас есть всё это оружие, когда вы его используете? И используете ли вы его одновременно? Затем мы можем начать спрашивать, при каких условиях они используют один из копьемётов, а когда — токсин», — говорит профессор Фостер.

«У нас пока не так много данных, но ясно, что они не используются одновременно. Системы вооружения регулируются по-разному и используются в разных условиях».

Одна из надежд исследований по пониманию бактериального оружия — найти новые антибиотики.

«У этих (бактериальных) токсинов есть мишени, и эти мишени по сути являются ахиллесовой пятой или слабостью бактерий. Если вы найдёте эти мишени, то, возможно, сможете разработать другие стратегии против них», — говорит доктор Оллсопп.

Однако профессор Фостер надеется, что в будущем понимание принципов, лежащих в основе конкуренции бактерий друг с другом, может привести к совершенно новой альтернативе антибиотикам.

«Есть идея индивидуально разработанных пробиотиков, где мы можем выбирать определённые штаммы или конструировать определённые штаммы для конкретной цели, например, для уничтожения патогена. Это была бы альтернатива антибиотикам», — говорит он.

«Это жуки против жуков, а не лекарства».