Генетические мутации позволяют бактериям туберкулёза эффективно эволюционировать

Исследователи выявили, как бактерия, вызывающая туберкулёз (ТБ), может быстро эволюционировать в ответ на новые условия среды. Результаты исследования опубликованы в журнале eLife.

Как и другие виды бактерий, Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis) способна формировать сложные структуры — биоплёнки, которые позволяют бактериальным клеткам противостоять стрессовым факторам, таким как антибиотики и иммунные клетки. В ходе этой работы научная группа эволюционировала популяции M. tuberculosis в лаборатории и обнаружила, что бактерия может формировать толстые биоплёнки благодаря мутациям в генетических регуляторных областях, которые вызывают множественные изменения одновременно. Эти данные могут помочь в разработке антибиотиков, направленных против роста биоплёнок.

ТБ является второй по значимости причиной смерти от инфекционных заболеваний в мире, представляя серьёзную угрозу общественному здоровью. Существует острая необходимость в новых стратегиях диагностики, лечения и контроля этой инфекции.

«ТБ остаётся сложной для лечения инфекцией из-за способности бактерии сохраняться под давлением антибиотиков и иммунной системы, а также приобретать новые лекарственные устойчивости», — объясняет Мэдисон Янгблом, аспирант лаборатории старшего автора Кейтлин Пепперелл в Университете Висконсин-Мэдисон (США) и соавтор исследования. — «Для улучшения лечения и контроля ТБ нам необходимо понять источники устойчивости бактерии и выявить её уязвимости. Мы хотели больше узнать о том, как она способна формировать биоплёнки, обнаружив гены и генетические области, вовлечённые в этот рост, а также понять, как бактерия эволюционирует в ответ на изменения среды».

Для этого команда использовала экспериментальную эволюцию M. tuberculosis — мощный инструмент для выявления сильных и слабых сторон бактерии. Они эволюционировали шесть близкородственных штаммов M. tuberculosis под селективным давлением, заставляя их расти в виде биоплёнки. Через регулярные промежутки времени они фотографировали биоплёнку и описывали её рост по четырём критериям: площадь покрытия жидкой поверхности, прикрепление и рост по стенкам чашки, толщина биоплёнки и непрерывность роста (в сравнении с прерывистыми участками роста).

Их работа показала, что каждый штамм смог быстро адаптироваться к давлению среды, сформировав более толстую и, следовательно, более устойчивую биоплёнку. Генетические области, в которых произошли мутации в ходе эксперимента, вызвавшие этот рост биоплёнки, были в основном регуляторными, такими как regX3, phoP, embR и Rv2488c. «Эти регуляторы контролируют активность множества генов, что означает, что одна мутация может вызвать множество изменений сразу», — поясняет Янгблом. — «Это эффективный процесс, который мы наблюдали, изучая различные характеристики бактерий, такие как размер их клеток и скорость роста».

Кроме того, команда обнаружила свидетельства того, что генетический фон родительского штамма M. tuberculosis влиял на усиленный рост биоплёнок. Это означает, что взаимодействия между генетическими факторами могут играть важную роль в адаптации M. tuberculosis к меняющимся условиям среды.

«Бактерии склонны к росту в виде биоплёнок во многих контекстах, включая инфицирование человека и других хозяев, а также при колонизации естественной и искусственной среды», — говорит старший автор Кейтлин Пепперелл, руководитель исследования в Университете Висконсин-Мэдисон. — «В медицинском контексте понимание, полученное в нашей работе, может быть использовано для изучения потенциальных новых антибиотиков, которые лучше способны атаковать бактерии, растущие таким образом. Мы предполагаем, что такая терапия, направленная на биоплёнки при ТБ, вероятно, будет дополнением к обычной терапии, чтобы помочь сократить и упростить текущие стратегии лечения».